Регистрация минимальных уровней освещенности с помощью лавинных фотодиодов

Оптические модули на основе лавинных фотодиодов

В лавинных фотодиодах (ЛФД) носители заряда ускоряются в электрическом поле и образуют дополнительные электронно-дырочные пары, возникающие вследствие ударной ионизации. Таким образом, даже отдельный фотон может привести к возникновению значительного фототока, сигнал которого может быть впоследствии обработан усилителем. Поэтому лавинные фотодиоды превосходят обычные PIN-фотодиоды, когда речь идет о применениях, связанных с регистрацией минимального количества света.

Использование лавинных фотодиодов представляет собой наиболее эффективный метод повышения чувствительности. Внутреннее усиление ЛФД может быть увеличено до тех пор, пока отношение сигнал-шум (SNR – signal to noise ratio) не ограничивается электрическим шумом. Тем не менее, производительность всей детекторной системы зависит в первую очередь от реализации электронных схем обработки сигнала.

Усиление сигнала

В общем случае использование лавинных фотодиодов рекомендуется, если шум всего приемника ограничен шумом трансимпедансного усилителя – когда значение собственного шума усилителя выше значения шума приемника. Тем не менее, это происходит только при высоких скоростях. В таком случае усиление ограничено временной постоянной резистивно-емкостной цепи. Использование лавинных фотодиодов с внутренним усилением улучшает отношение сигнал/шум встроенного в ЛФД усилителя, если сравнивать аналогичную реализацию, но с PiN фотодиодом со встроенным предусилителем. Чем больше оптимальное усиление и отношение сигнал/шум приемника, тем ниже избыточный шум. При широких полосах пропускания шум, вызванный усилением, является доминантным источником шума. Поэтому важно сохранять значение емкости усилителя настолько низким, насколько это возможно, для уменьшения общего шума детектора с встроенным предусилителем.

Оптимальное отношение сигнал/шум

На практике оптимальное отношение сигнал/шум достигается за счет компактной реализации расположения компонентов с малой емкостью на керамической подложке. Это уменьшает паразитную емкость и как следствие шум, что обеспечивает наилучшую пропускную способность системы для соответствующего применения. В дополнение ко всему этот метод позволяет производить миниатюрные компактные детекторные модули. Проще говоря, ЛФД модуль предполагает компромисс между скоростью и шумом. Типичный приемник состоит из ЛФД и трансимпедансного усилителя (ТУ), который представляет собой усилитель преобразования тока в напряжение, фиксирующий усиление с помощью резистора обратной связи. Поскольку ЛФД генерирует ток, резистор обратной связи действует в качестве усилителя с выходным напряжением равным току ЛФД и помноженному на сопротивление обратной связи.

Интерференционные факторы

Так же, как и шум лавинного фотодиода, шум Джонсона (Johnson noise – электрический шум, возникающий благодаря тепловому движению носителей заряда) от резистора обратной связи является доминирующим в общем значении шума детекторного модуля. В отличие от шумового напряжения Джонсона, которое усиливается, если сопротивление увеличивается, эквивалентный шумовой ток Джонсона падает. Увеличение усиления (сопротивление обратной связи), таким образом, снижает входную плотность шума усилителя. Тем не менее, сокращение пропускной способности в настоящее время становится проблемой, т.к. результат усиления и пропускной способности трансимпедансного усилителя является константой, т.е. при большом усилении или сопротивлении пропускная способность и входная плотность шума падают.

Оптимальный уровень сигнала

На диаграмме (Рис. 1) показана оптимальная зависимость между шумом и пропускной способностью, которая достигается с помощью ЛФД усилителей производства Laser Components. В данном случае шум представлен как эквивалентная мощность шума, которая измеряется в Вт и характеризует плотность шума системы. Это хороший показатель минимальной оптической мощности, которая может быть обнаружена с помощью фотоприемника.

Рис. 1. Оптимально подстроенное отношение сигнал/шум для соответствующих ЛФД приемников

Выбор оптимального лавинного фотодиода

Для пользователя важно иметь четкое представление об актуальных требованиях к пропускной способности в соответствии с применением, так чтобы подобрать подходящий лавинный фотодиод с минимальными собственными шумами. На рынке представлены различные модели ЛФД, и каждый фотодиод оптимизирован для конкретной полосы пропускания.

Рис. 2. Связанный по постоянному току (DC-coupled) ЛФД приемник без покрытия в 12- контактном корпусе ТО-8 для регистрации минимальной освещенности

В качестве примера стоит привести лавинные фотодиоды серии H1 от Laser Components, которые были разработаны для регистрации минимальной освещенности (Рис. 2). Фотоприёмники связаны по постоянному току напрямую без конденсатора в цепи и на выходе имеют сопротивление 50 Ом. Второй уровень усиления трансимпедансного усилителя гарантирует, что световой импульс создаст положительное напряжение, и в результате произойдет дополнительное усиление напряжения. Усилитель может так же быть использован в качестве фильтра низких частот для уменьшения высокочастотного шума. Дополнительно установлен температурный датчик с термокомпенсацией, что позволяет пользователю изменять первоначальную нагрузку для компенсации температурных изменений связанных с чувствительностью фотоприемника. Кроме того в электрической цепи имеется внутренний фильтр для сокращения потерь при высоком напряжении. Пропускная способность ЛФД серии H1 расширена до 25МГЦ, и модели этой серии доступны для заказа с различными конфигурациями усилителя. В моделях лавинных фотодиодов со встроенным усилителем серии от А до D используется разное сопротивление обратной связи, что предоставляет пользователю вариации различной чувствительности детектора в соответствии с требованиями по пропускной способности соответствующего применения. В отличие от вышеописанных детекторов ЛФД приемники с пропускной способностью до 750 МГц в основном используются для быстрого обнаружения минимальной освещенности (Рис. 3). Максимальная частота ограничена только типом используемого лавинного фотодиода. Разработанные для простоты использования в высокоскоростной цифровой электронике лавинные фотодиоды серии H2, H3, H4 и H5 имеют дифференциальные выходы.

Правильный детектор в зависимости от применения

Обычно гибридные схемы усилителей и лавинные фотодиоды от одного производителя могут быть свободно скомбинированы в соответствии с поставленными задачами. Двумя основными материалами для изготовления фотодиодов, имеющими коммерческую актуальность, являются кремний (Si – silicon) и арсенид галлия легированный индием (InGaAs). В зависимости от материала лавинный фотодиод имеет спектральный диапазон 300-1100 нм для Si и 900-1700 нм для InGaAs. Использование того или иного материала определяет оптимальные длины волн излучения (650 нм, 905 нм или 1064 нм для кремния и 1550 нм для InGaAs). Дальнейшая производственная оптимизация и селекция ЛФД позволяет производить детекторы с очень малыми шумами, которые способны регистрировать отдельные фотоны. Все вместе позволяет пользователю определиться в выборе правильного, оптимального варианта детектора для соответствующего применения.

Рис. 3. ЛФД фотоприемник в 5-контакном ТО-46 корпусе	Рис. 4. ЛФД фотоприемник в корпусе ТО-8

Медицинские применения, такие как оптическая когерентная томография (ОКТ) и измерения флуоресценции, обычно требуют низкого уровня шума лавинного фотодиода серии H1. Достижения в области использования широкополосных источников излучения в сочетании с лавинными фотодиодами в ближней инфракрасной области спектра способствовали тому, что ОКТ визуализация стала доступна для реализации в сильно дисперсионных тканях. В наши дни оптическая биопсия является одним из самых сложных приложений в ОКТ технологии. Высокое разрешение и высокая глубина проникновения так же, как и потенциал функциональной визуализации, позволяют методу ОКТ обеспечить качественный уровень оптической биопсии, что может быть использовано для анализа тканевых и клеточных функций или морфологии.

Самое актуальное применение для сверхбыстрых ЛФД детекторных модулей – это дальномеры, подразумевающие использование лазеров или лазерных сканнеров на основе времяпролетного метода. Для достижения разрешения по дальности в миллиметровом диапазоне необходимы очень быстрые измерения частоты. По этой причине как гражданские, так и военные дальномеры, измерительные устройства, ЛИДАРы и облакомеры обладают высокой пропускной способностью, которой обладают лавинные фотодиоды с усилителями серии H2-H5.

Заключение

Паразитная емкость на границе раздела между фотоприемником и усилителем оказывает негативное влияние на шум и пропускную способность детекторной системы. Гибридные сборки в виде ЛФД со встроенным усилителем, с компонентами с низкой емкостью компактно размещенными на керамической подложке, позволяют получить максимально возможную производительность системы, естественно учитывая определенный компромисс между шумом и пропускной способностью. Таким образом компания Laser Components предлагает широкий ассортимент гибридных лавинных фотодиодов с усилителями для достижения оптимальной производительности всего детекторного модуля в зависимости от поставленной задачи.