ردیاب نوری چیست؟

یک آشکارساز نوری (PD) دریافتی را تبدیل می کندنوریسیگنال‌ها را به سیگنال‌های الکتریکی ارسال می‌کند، بنابراین تبدیل سیگنال نوری به-الکتریکی را تکمیل می‌کند. الزامات اساسی برای PD عبارتند از:

1) دارای پاسخگویی به اندازه کافی در طول موج عملیاتی سیستم است، به این معنی که می تواند بزرگترین جریان نوری ممکن را برای یک توان نور فرودی داده شده تولید کند.

2) سرعت پاسخگویی به اندازه کافی سریع دارد که برای سیستم‌های-سرعت بالا یا پهنای باند مناسب است.

3) کمترین نویز ممکن را دارد تا تاثیر دستگاه بر سیگنال را به حداقل برساند.

4) اندازه کوچک و عمر طولانی دارند.

در حال حاضر، دو آشکارساز نوری نیمه هادی پرکاربرد وجود دارد: دیودهای نوری PIN (PIN-PDs) و فوتودیودهای بهمنی (APD). این بخش عمدتاً به معرفی اصول، شاخص های عملکرد و دو نوع متداول ردیاب نوری می پردازد.

اصل آشکارسازهای نوری

◇فتودیود پین

آشکارسازهای نوری از اثر فوتوالکتریک مواد نیمه هادی برای رسیدن به تبدیل فوتوالکتریک استفاده می کنند. اثر فوتوالکتریک مواد نیمه هادی در شکل زیر نشان داده شده است.

هنگامی که hv انرژی فوتون فرودی کمتر از شکاف نواری E باشد، اثر فوتوالکتریک بدون توجه به شدت نور فرودی رخ نخواهد داد. یعنی برای اینکه اثر فوتوالکتریک رخ دهد باید شرایط زیر رعایت شود:

به عبارت دیگر، نور فرودی با فرکانس v

علاوه بر داشتن طول موج قطع، بازده تبدیل فتودیود زمانی کاهش می‌یابد که طول موج نور فرودی خیلی کوتاه باشد. در فتودیود، فوتون های فرودی جذب می شوند و جفت حفره های الکترونی تولید می کنند. وقتی فاصله x=0 باشد، توان نوری P(0) است. پس از مسافت x، توان نوری جذب شده برابر است با:

در فرمول (λ) ضریب جذب ماده است که تابعی از طول موج است.

هنگامی که طول موج نور فرودی بسیار کوتاه است، ضریب جذب ماده بسیار زیاد است. در نتیجه، تعداد زیادی فوتون در سطح فتودیود جذب می‌شوند و یک ناحیه میدان-الکتریک- صفر ایجاد می‌کنند. جفت‌های الکترونی{4}}که در اینجا تولید می‌شوند باید قبل از جمع‌آوری توسط مدار خارجی، ابتدا در لایه تخلیه منتشر شوند. با این حال، در این منطقه، حامل های اقلیت طول عمر بسیار کوتاهی دارند و بسیار آهسته منتشر می شوند، اغلب قبل از جمع آوری دوباره ترکیب می شوند. این کارایی ردیاب نوری را کاهش می دهد. بنابراین، فتودیودهای ساخته شده از مواد خاص دارای محدوده پاسخ طول موج خاصی هستند. به عنوان مثال، محدوده پاسخ طول موج فوتودیودهای Si 0.5-10 میکرومتر است، و فتودیودهای InGaAs 1.1-1.6 میکرومتر است.

ویژگی های آشکارسازهای نوری

بازده کوانتومی

نور برخوردی (قدرت P) حاوی تعداد زیادی فوتون است. نسبت تعداد فوتون های قابل تبدیل به جریان نوری به تعداد کل فوتون های فرود را بازده کوانتومی می گویند که با فرمول زیر محاسبه می شود:

در فرمول، بار الکترون،=1.6 × 10-1 درجه است. I جریان نوری تولید شده است. h ثابت پلانک است. و v فرکانس فوتون است. بازده کوانتومی از 50% تا 90% متغیر است.

اگر بازتاب‌پذیری سطح فرودی r باشد و جفت‌های الکترون-تولید شده در لایه سطح میدان صفر-الکتریک-به‌طور مؤثری به جریان نوری تبدیل نشوند و توان نور فرودی P(0) باشد، جریان نوری:

در فرمول، ضریب جذب ناحیه-صفر و لایه تخلیه، ضخامت ناحیه-صفر و عرض لایه تخلیه است. در این صورت کارایی عبارت است از:

پاسخگویی

نسبت جریان نور به توان نور تابشی در ردیاب نوری را پاسخگویی می نامند (اندازه گیری شده در A/W).

این مشخصه نشان دهنده کارایی ردیاب نوری در تبدیل سیگنال های نوری به سیگنال های الکتریکی است. مقادیر معمولی برای R از 0.5 تا 1.0 A/W متغیر است. برای مثال، مقدار R برای آشکارساز نوری Si 0.65 A/W در طول موج 900 نانومتر است. مقدار R برای ردیاب نوری Ge 0.45 A/W (در 1300 نانومتر) است. و پاسخگویی InGaAs 0.9 A/W در 1300 نانومتر و 1.0 A/W در 1550 نانومتر است.

برای یک طول موج معین، پاسخگویی ثابت است، اما زمانی که یک محدوده طول موج بزرگ را در نظر می گیریم، ثابت نیست. با افزایش طول موج نور فرودی، انرژی فوتون‌های فرودی کاهش می‌یابد و زمانی که از فاصله باند کمتر باشد، پاسخ‌دهی به سرعت در طول موج قطع کاهش می‌یابد.

طیف پاسخ

به منظور تولید حامل های نوری، انرژی فوتون فرودی باید بیشتر از فاصله باند ماده آشکارساز نور باشد. این شرط را می توان به صورت زیر بیان کرد:

در فرمول λ طول موج قطع است.

به عبارت دیگر، برای یک ماده آشکارساز نیمه هادی معین، فقط نور با طول موج کوتاهتر از طول موج قطع قابل تشخیص است و بازده کوانتومی آشکارساز با طول موج متفاوت است. این مشخصه طیف پاسخ نامیده می شود. بنابراین، آشکارسازهای نور جهانی نیستند و طیف پاسخ مواد مختلف متفاوت است. مواد نیمه رسانای فوتوالکتریک رایج شامل Si، Ge، InGaAs، InGaAsP و GaAsP هستند و طیف پاسخ آنها در شکل x نشان داده شده است.

زمان پاسخگویی

سرعتی که در آن جریان نوری تولید شده توسط فتودیود سیگنال نور فرودی را دنبال می کند، معمولاً به عنوان زمان پاسخ بیان می شود. زمان پاسخ پارامتری است که توانایی ردیاب نوری برای پاسخ به سیگنال‌های نوری گذرا یا مدوله‌شده با سرعت بالا را منعکس می‌کند. عمدتاً تحت تأثیر سه عامل زیر است:
1) زمان عبور حامل های عکس در منطقه تخلیه.

2) زمان انتشار حامل های عکس تولید شده در خارج از منطقه تخلیه.

3) ثابت زمانی RC فتودیود و مدار مربوط به آن.

زمان پاسخ را می توان به صورت زمان صعود و زمان سقوط پالس خروجی یک آشکارساز نوری بیان کرد. هنگامی که ظرفیت اتصال فتودیود نسبتاً کوچک است، زمان صعود و زمان سقوط کوتاه و نسبتاً سازگار است. زمانی که ظرفیت اتصال فتودیود نسبتاً زیاد است، زمان پاسخ توسط ثابت زمانی RC تشکیل شده توسط مقاومت بار و ظرفیت اتصال محدود می‌شود و در نتیجه زمان‌های افزایش و سقوط طولانی‌تر می‌شود.

به طور کلی، مشخصات فنی ردیاب های نوری زمان افزایش را ارائه می دهد. برای فتودیودهای پین، زمان افزایش t₀به طور معمول است<1 ns; for APDs, this value is less than 0.5 ns.

جریان تاریک

جریان تاریک به جریانی در ردیاب نوری اشاره دارد که نور تابشی وجود ندارد. اگرچه نور فرودی وجود ندارد، اما در یک دمای معین، انرژی گرمایی خارجی می تواند مقداری شارژ رایگان در منطقه تخلیه ایجاد کند. این بارها تحت تأثیر یک ولتاژ بایاس معکوس جریان می یابند و جریان تاریکی را تشکیل می دهند. بدیهی است که هر چه دما بالاتر باشد، الکترون های بیشتری توسط دما برانگیخته می شوند و جریان تاریک بزرگتر می شود. برای فتودیود پین، اجازه دهید جریان تاریک در دمای T I(T) باشد. وقتی دما به T افزایش یافت، آنگاه:

در فرمول، C یک ثابت تجربی و C{0}} برای فتودیود Si است.

جریان تاریک نهایتاً حداقل توان نوری قابل تشخیص را تعیین می کند که حساسیت دیود نوری است.

بسته به مواد نیمه هادی مورد استفاده، جریان تاریک بین 0.1 تا 500 nA متغیر است.