DETEKTORY ŚWIATŁA Wyróżniamy: detektory termiczne i detektory fotonowe. Zaleta fotonowych: duża szybkość działania Wada: zależność sygnału detektora od częstotliwości promieniowania. Parametry fotodetektorów Najważniejsze parametry Czułość R,f i P, P I A Charakterystyka widmowa krzywa czułości C Czas narastania (opadania) Charakterystyka częstotliwościowa 1
R f R 0 1 4 2 f 2 2 1/2, R 0 czułość w przypadku niezmodulowanego sygnału, stałą czasową odpowiedzi detektora. Czas martwy Prąd ciemny Relacja Richardsona Dushmana i t aat 2 exp e kt, gdzie: a stała, charakterystyczna dla materiału fotokatody (dla czystych metali 1.2 10 6 Am 2 K 2 ), A pole fotokatody, praca wyjścia, T temperatura. Stosunek sygnału doszumu(ang. SNR signal to noise ratio) Moc równoważnej szumom (ang. NEP noise equivalent input power) Kryterium sygnał szum S N 1. Mniejsza wartość NEP detektora mniejsza moc jego szumów. 2
Zdolność detekcyjna lub wykrywalność D A f NEP, gdzie: A jest powierzchnią detektora, a f jest jego szerokością pasma. Jednostka Jons [mhz 1/2 ]. Dynamika (w [db]) maksymalny zakres zmian natężenia promieniowania, dla którego odpowiedź detektora jest liniowa. Wydajność kwantowa: liczba uwolnionych elektronów liczba padających fotonów. Szum Szum śrutowy Przyczyna: ziarnistość nośników prądu i fluktuacjami fotonów Niech I średnie natężenie światła. Liczba fotonów padających na detektor N I h średni prąd 3
ī e h I A, wydajność kwantowa, A powierzchnia detektora. Średni prąd szumowy 0 Moc prądu szumowego 0: i 2 N 2e2 N f 2eī f, h f szerokość pasma detektora. Czyli S N ī 2 R L I A P i 2 N R L 2h f 2h f, R L rezystancja obciążenia. Stosunek sygnału doszumuśrutowego bezpośrednią granicą detekcji Minimalny mierzalny sygnał, przys/n 1 i 1: P min 2h f. Szum Johnsona (Nyquista) Przyczyna: ruchliwość ładunków w temperaturze powyżej zera bezwzględnego lokalne 4
fluktuacje gęstości prądu szum termiczny (szum Johnsona): i 2 N R 4kT R f, gdzie: R rezystancją detektora. S N R 4kT f ep h Szum generacyjnorekombinacyjny i szum 1/f Przyczyna: statystyczny charakter dyfuzji ładunków statystyczne fluktuacje liczby rekombinacji elektron dziura. i 2 N g 4 i 2 N 1 4 2 f 2 2, gdzie: i prąd polaryzacji detektora, czas rekombinacji, N średnia liczbą nośników. Przyczyna szumu 1/f : nie znana. i 2 N f K i f, f gdzie: K, i są stałymi dla typowych półprzewodników: 2 i 1. 2. 5
Inne rodzaje szumów Szum modowy Szum wybuchowy Szum wzmacniacza Szum laserowy 6
Oko Oko potrafi wykryć po adaptacji około 6 fotonów/s. Szerokość spektralna pasma od 400 do 700 nm), Wady: niewielka szybkość działania, niewielkie pasmo (może zaleta), brakmożliwości zapisu informacji. Średnia średnica ok. 2.4 cm. Komora przednia Komora tylna Tarcza nerwu wzrokowego Budowa oka. Tęczówka kolor oczu, aperturę oka od 2 do 8 mm. Siatkówka: zwiera elementy fotoczułe. 7
Na zewnętrznej części więcej pręcików (ok. 125 mln.) (odpowiadają za widzenie zmierzchowe skotopowe) niż czopków (widzenie dzienne fotopowe) (razem ok. 6 mln) Plamka żółta największa ostrość. Plamka ślepa miejsce wychodzenia nerwów. Krzywa czułości oka zależy od natężenia oświetlenia 100 Czułość względna 80 60 40 20 Pręciki Czopki 0 450 500 550 600 650 Długość fali [nm] Krzywa czułości czopków i pręcików Rogówka: n 1.37, nie jest kulista jest bardziej płaska na zewnątrz Ciało wodniste n 1.33). Soczewka (średnica ok. 10 mm), n od 1.40 w środkudon 1.38 na zewnątrz. Mięień rzęskowy poprzez wiązadła 8
akomodacja oka Kąt widzenia wynosi 120 o w poziomie i 90 o w pionie. Obszar maksymalnej zdolności rozdzielczej : 20 o i 15 o Odległość najlepszego widzenia 25 30cm. Niewielka wrażliwość oka na polaryzację światła. Wzrokowy układ detekcyjny: oko (jako fotoprzetwornik), włókna nerwowe nerw wzrokowy kora wzrokowa w tylnej części mózgu (procesor). 9
Detektory termiczne Składają się z: elementu aktywnego o pojemności cieplnej H, elementu o przewodności cieplnej G połączonego z rezerwuarem rezerwuaru ciepła (otoczeniem) o temperaturze T R. Padające promieniowanie Element aktywny H G Rezerwuar ciepła T R Schemat detektora termicznego. W równowadze termodynamicznej d Q G T, dt gdzie: Q jest zmianą energii cieplnej. Q 0 jeśli ciepło przepływa od detektora do rezerwuaru, zatem Q H T. Po absorpcji promieniowania W t : 10
H d dt T G T W t. Niech Stąd W t W f exp i 2 ft. T T f exp i 2 ft. T f W f G 2 4 2 f 2 H 2 1/2. T f W f G 1 4 2 f 2 2 H, 1/2 gdzie: H H/G termiczna stała czasowa. Detektory piroelektryczne Komórka Golaya, Bolometry, Termopary Cecha detektorów termicznych brak zależności ich zdolności detekcyjne od długości fali 11
Detektory fotonowe Detektory fotonowe: detektory próżniowe fotokomórki, fotopowielacze, półprzewodnikowe diody półprzewodnikowe, struktury na studniach kwantowych Zewnętrzny efekt fotoelektryczny fotopowielacz. Wewnętrzny efekt fotoelektryczny dioda pn. Ilość fotonów na powierzchni detektora/s P/h, liczba uwolnionych elektronów P/h, a natężenie prądu i ep h e P hc. Czułość fotodetektora R, f Napięcie wyjściowe i P e hc, V e P hc R L. Fotopowielacze 12
Wykorzystuje się: zewnętrzny efekt fotoelektryczny i emisję wtórną Równanie Einsteina h E k W. Składa się z: fotokatody, dynod (dokilkudo kilkunastu) i anoda Dzielnik napięcia rozdziela potencjal między dynody. Dynody Anoda Fotoelektron Elektrony wtórne Fotokatoda R C R L hν R R R R R Zasilacz WN Typowy schemat podłączenia fotopowielacza do zasilacza wysokiego napięcia. Wzmocnienie prądowe M N, gdzie: jest wzmocnieniem każdej dynody (26), N jest liczbą dynod. 13
Przy 20 fotonów/ s o energii 7.95 10 12 W ( 500nm), jeżeli N 12 i 4, tojeśli 0.15 prąd anodowy: i a M e P h 8.06 10 6 A, na oporze obciążenia 1M spadek napięcia U 8V. Szybkość działania (pasmo kilku GHz). Wada: duży prąd ciemny remedium: chłodzenie. Szum śrutowy i 2 N a 2eM 2 F ī k ī d f, gdzie: F / 1. Niech P P 0 1 msin m t, gdzie: m jest głębokością modulacji, a m częstością modulacji. Prąd z fotokatody zatem i k t ī k 1 msin m t, gdzie: Prąd anodowy ī k e h P 0. 14
i a t Mī k msin m t. Stosunek sygnału doszumu S N i a 2. i 2 N a Z warunku S/N 1 P min 2h ī d f e. Dla typowych (ale dobrych) fotopowielaczy: 10 15 10 16 W. 15
Fotodiody pn i fotoogniwa Tryb fotoprzewodnictwa spolaryzowane w kierunku zaporowym Tryb fotowoltaiczny złącze nie jest spolaryzowane p n hν E g A B C a) R < R <R L3 L2 L1 20 i[ma] D P = 0 mw 10 mw 20 mw 30 mw 40 mw 20 15 10 5 R L3 Obszar fotoprzewodnictwa 10 b) c) V V D 0 _ R L V[V] D R L1 R L2 Obszar fotowoltaiczny V D R L1 R L2 R L i D Fotodioda Fotodioda 16
Fotoprzewodnictwo R L i D V D V 0 0, i D 1 R L V 0 V D. Prosta obciążenia maujemnywspółczynnik kierunkowy. Tryb fotowoltaiczny dioda działa jak fotoogniwo. V D i D R L 0, proste obciążenia i D V D R L. a) b) Fotoprąd [ma] 100 10 1 3Ω 30Ω 100Ω 500Ω 1kΩ 5kΩ 1 10 100 E[klx] Natężenie oświetlenia Rezystancja dopasowania R dop [kω] 10 1 0.1 0.01 10 1 10 2 10 3 10 4 E[klx] Natężenie oświetlenia Charakterystyki fotoogniwa Wartość rezystancji dopasowania zależy od natężenia oświetlenia. 17
Fotodiody pin Warstwa antyrefleksyjna hν Kontakt Warstwa absorpcyjna p i n Izolator Kontakt p i n hν E g Obszar dryftu Budowa, schemat zasilania i układ pasm diody pin W polu elektrycznym: dziury w lewo a elektrony prawo. Złącze pi rozdziela ładunki skok potencjału. Złącze in jest kontaktem omowym. Czas narastania 1ns, nawet do 100 ps. Sprawność konwersji około 80%. Charakterystyki diod pin podobne do pn. Szum dla sygnału zmodulowanego 18
S N przy m 1 i s i N 2 i N 2 R P 0 e/h 2 Rm 2 /2 2eR P 0 e/h ī d f 4kT f. S N P 0 2h f, Fotodiody lawinowe Zasilanie 150 200 V. B hν E g A C G D E F Schemat powielania nośników w fotodiodzie lawinowej. Współczynnik powielania M 1 V v, 1 V b gdzie: V jest napięciem polaryzacji, V b napięciem przebicia, v między 1.5 i 6. 19
Generacji nośników w warstwie o grubości dx i powierzchni A: generacja przez absorbowane fotony lub termicznie AqGdx (G stała generacji), generacja w wyniku zderzeń z elektronami n I n dx, generacja po zderzeniach z dziurami p I p dx. Zmiana elektronowego i dziurowego prądu di n dx ni n p I p AqG, i di p dx ni n p I p AqG, n p współczynniki powielania. Z drugiego di p dx p n I p n I AqG, I I p I n całkowity prąd. Ogólne rozwiązanie I p x Cexp p n x ni AqG p n, Stała całkowania C z warunków brzegowych. 20
Z zasady zachowania prądu I I n 0 I p L. Całkowity prąd płynący przez diodę I AqG exp p n L 1 n p exp p n L. Stosunek całkowitego prądu do prądu pierwotnego współczynnik powielania M I AqG exp p n L 1 n p exp p n L. Jeżeli n p, to M 1 1 L. hν Kontakt Obszar absorpcji n n p i( π) n Obszar powielania p Kontakt n p i( π) p Pole elektryczne Obszar powielania 21
Stosunek sygnału doszumudiod lawinowych S N i s i 2 N i 2 N R M 2 e h P 0 2 R 2eRFM 2 Graniczna wartość S N P 0 2h F f. Sprawność ok. 100%, szerokość pasma kilkaset GHz i współczynnik powielania 1000. Wada duży prąd ciemny. e P h 0 ī d f 4kT f. Diody Schottky ego a) b) E F E S Półprzewodnik E c Metal Światło E v Metal Półprzewodnik 22
Zaletywstosunkudodiodpn: obszar zubożony leży w pobliżu powierzchni, szybki czasem odpowiedzi (100 GHz), możliwa detekcja promieniowania krótkofalowego, małyprąd wsteczny. Fotorezystory Liczba nośników generowanych dn P dt h u t N, Rozwiązanie N P h 1 exp t. Prąd płynący przez fotorezystor i d e l N e P h l 1 exp t. l czas, w którym nośniki przebywają drogę l. / l wzmocnienie. 23
Fototranzystory Detektory z supersieciami Diody lawinowe. Powielanie w supersieciach Supersieci p E g hν GaAs AlGaAs n Jonizacja w strukturze supersieci AlGaAsGaAs. Fotopowielacz półprzewodnikowy (ang. solid state photomultiplier) 24
hν E g p n Struktura pasm i powielanie w fotopowielaczu półprzewodnikowym. Fotorezystory z supersieciami 1. Przejście podpoziompodpoziom. 2. Przejście podpoziompasmo ciągłe (ang. bound to free) Siatka dyfrakcyjna Obszar studni kwantowych Kontakt Promieniowanie Pojedynczy piksel macierzy detektora na studniach kwantowych 25
Kontinuum Termoemisja Tunelowanie z termoaktywacją AlGaAs Fotoprąd GaAs Tunelowanie sekwencyjne Pasmo przewodnictwa Fotorezystor z supersiecią Zalety: Czułość spektralna może być dowolnie regulowana. Możliwość produkcji wielkowymiarowych macierzy detektorów o bardzo dobrych właściwościach detekcyjnych. 26
Przyrządy z przenoszeniem ładunku (CCD) SiO 2 Elektroda V Elektrony Studnia potencjału Półprzewodnik typu p Kondensator MOS i studnia potencjału. Cykl czterofazowy Cykl trójfazowy Cykl dwufazowy φ 1 φ 2 φ 1 φ 2 φ 1 φ 2 φ 1 φ 1 φ 2 φ 3 φ 1 φ 2 φ 3 φ 1 φ 1 φ 2 φ 1 φ 2 φ 1 φ 2 φ 1 1 Cykle zegarowe 2 3 4 5 czas t 0 t 1 t 2 Schematy przenoszenie ładunku objętościowego z lewa na prawo CCD z trójfazowym cyklem zegarowym 27
Kamery CCD z kanałem zagrzebanym Elektrody kształt linijki lub dwuwymiarowej matrycy. Liczba pixeli: 4096 4096 Wymiary liniowe rzędu do kilkunastu m. Typowy detektor liniowy CCD: 512 1024 elektrod o wymiarach liniowych rzędu do kilkunastu m, odległość między elektrodami wynosi 1 2 m. napięcia wynoszą od 3 do 10 V z czasem narastaniem w granicach 10 do100 s. maksymalna szybkość taktowania przekracza 50 MHz. Światło hν hν hν SiO 2 Sekcja obrazowa φ Sekcja pamięci 1 φ 1 φ2 φ 3 2 Zestaw bramek p Schemat elementu CCD 28
Wzmaczniacze obrazu Wzmocnienie luminancji powyżej 2000. Wzmacniacze: z ogniskowaniem zbliżeniowym, elektrostatycznym i magnetycznym. Fotony Włókna światłowodowe Elektrody Elektrony Stożek anodowy Włókna światłowodowe Wzmacniacz obrazu z ogniskowaniem elektrostatycznym. Płytki mikrokanalikowe (ang. microchannal plate MCP). 29
Płytka mikrokanalikowa Pojedynczy mikrokanalik Elektrony wtórne Fotoelektron V Potencjał przyspieszający Płytka mikrokanalikowa i schemat powielania elektronów. Wzmocnieniedo10 8. Kaskady Transoptory Dioda Dioda Dioda Fotorezystor Dioda Fototranzystor Dioda Fototranzystor w układzie Darlingtona 30
Detekcja koherentna Układy detekcji, w których wykorzystuje się koherencję światła noszą nazwę systemów koherentnych. a) Fala sygnałowa Detektor Fala odniesienia Lokalny oscylator b) Fala sygnałowa Fala odniesienia Sprzęgacz kierunkowy Detektor Detekcja heterodynowa przy użyciu dzielnika wiązki (a) i światłowodowego sprzęgacza kierunkowego (b) Detekcja heterodynowa Częstość oscylatora lokalnego l jest przesunięta w stosunku do częstości nośnej n oczęstotliwość pośrednią p zzakresu fal radiowych l n p. Pole elektryczne 31
E n E n 0 cos n t n, E l E 0 l cos n p t l. Prąd detektora i E n E l 2. Prąd detektora i E 0 n cos n t n 2 E l 0 cos n p t l 2 E n 0 E l 0 cos 2 n p t n l E 0 n E 0 l cos p t n l. Po uproszczeniach i I n I l 2 I n I s cos p t n l. Po odfiltrowaniu stałych i 2 I n I l cos p t n l. Wielkość prądu detektora w przypadku detekcji heterodynowej zależy odczęstości, fazy i amplitudy fali. Detekcja homodynowa lokalny oscylator ma tę samą częstość co fala nośna i prąd detektora i 2 I n I l cos n l. Informacja w zmodulowanej amplitudzie 32
lub (i) fazie. Fotodetektory Światłowodowe koherentne łącze telekomunikacyjne. Polepszenie stosunku sygnał/szum o 10 do 20dB w stosunku do detekcji bezpośredniej. Szum śrutowy ī 2 N 2e E n 2 2 E 2 l 2 ī 2 d f Sygnał i s t AE n E l cos p t n l. Dla detekcji heterodynowej S N AE n E l 2 2 e A E 2 n E 2 l ī 2 d 4kT/R f. 33
Jeżeli E l E n 2 S N AE n 2e f P h f. Jest to wynik dwukrotnie lepszy niż w przypadku detekcji bezpośredniej. Zatem: wzmocnienie sygnału bez wzmocnienia szumu. Sygnał jest zmodulowany fazowo E s t E n cos t mcos m t, m głębokość modulacji. Sygnał i s t A E n cos t mcos m t E l cos l l Po rozwinięciu E s t E n J 0 m cos n t, E n J 1 m cos n m t E n J 1 m cos n m t J 0,1 m amplitudy funkcji Bessela Ponieważ J 1 m 2 J 1 m, zatem i s t 2 AJ 1 m E n E l sin n l t l sin m t. 34
Jeżeli E l E n, to dla detekcji heterodynowej S N AJ 1 2 2 m E n, e f a homodynowej S N 2 AJ 1 2 2 m E n. e f Szum w systemach detekcji bezpośredniej jest większy niż wukładach detekcji koherentnych, przy czym stosunek S/N detekcji heterodynowej jest dwukrotnie mniejszy niż homodynowej. 35
Literatura 1. Z. Bielecki, A. Rogalski, Detekcja Sygnałów Optycznych, WNT, Warszawa 2001. 2. A. Kowalski, Podstawy telekomunikacji, Oficyna PW, Warszawa 1998. 3. J. Siuzdak, Wstęp dowspółczesnej telekomunikacji światłowodowej, WKŁ, Warszawa 1999. 4. M. Szustakowski, Elementy techniki światłowodowej, WNT,Warszawa 1992. 5. B. Ziętek, Optoelektronika, Wydawnictwo UMK, Toruń 2004. 36