Фотодиоды инфракрасного и видимого диапазонов: Обзор фоточувствительных элементов

Содержание

Фотодиоды и фотопроводники

Фотодиоды. Принцип действия

Фотодиод работает подобно обыкновенному сигнальному диоду. Отличие заключается в том, что фотодиод генерирует фототок, когда свет поглощается в области переходного слоя полупроводника. Это устройство обладает высокой квантовой эффективностью, а потому находит применение в решении многих задач.

При работе с фотодиодами необходимо точно определить значения выходного тока и учесть чувствительность к падающему свету. На рисунке 1 показана схема фотодиода, состоящая из основных компонентов.

формула 1 ф ифрис1 ф фиф

Рисунок 1. Простейшая модель фотодиода. Photodetector - фотодетектор. Junction capacitance - емкость перехода. Series resistance – последовательное сопротивление. Shunt resistance – шунтирующее сопротивление. Load resistance – сопротивление нагрузки

Терминология

Чувствительность

Чувствительность фотодиода может быть определена как отношение генерируемого фототока (I

PD) к мощности падающего света (P) на заданной длине волны:

форм2 фи ф

Режим работы

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя). Выбор режима зависит от требований к скорости работы и количества допустимого темнового тока (тока утечки).

Режим фотопреобразователя

В режиме фотопреобразователя применяется внешнее обратное смещение, которое заложено в основе детекторов серии DET. Ток в контуре определяет освещенность устройства; выходной ток линейно пропорционален входной оптической мощности. Применение обратного смещения увеличивает ширину обедненного перехода, создавая повышенную чувствительность и уменьшая емкость перехода. Таким образом возникают линейные зависимости некоторых величин. Работа в этих условиях, как правило, приводит к увеличению темнового тока; но на это влияет и сам материал фотодиода. (Примечание: детекторы DET работают в режиме обратного направления)

Режим фотогенератора

В фотогальваническом режиме смещение равняется нулю. Ток от устройства ограничен, напряжение в цепи возрастает. В основе этого режима заложен фотогальванический эффект - на нем же работают солнечные батареи. Количество темнового тока при работе в фотогальваническом режиме минимально.

Темновой ток

Темновым током называют ток утечки, который возникает при приложении напряжения смещения к фотодиоду. При работе в режиме фотопреобразователя наблюдается увеличение темнового тока, и его зависимость от температуры. Теоретически темновой ток удваивается при каждом повышении температуры на 10°C, а сопротивление шунта удваивается при повышении на 6°C. Конечно, большее смещение может уменьшить емкость перехода, но количество присутствующего тока утечки при этом увеличится.

На темновой ток также влияет материал фотодиода и размер активной области. Обычно кремниевые фотодиоды создают низкий темновой ток по сравнению с устройствами из германия. В приведенной ниже таблице перечислены некоторые материалы, используемые в производстве фотодиодов и их относительные темновые токи, скорость, чувствительность и стоимость.

Материал

Темновой ток

Скорость

Спектральный диапазон

Стоимость

Силикон (Si)

Низкий

Высокая

От видимого диапазона до ближней ИК

Низкая

Германий (Ge)

Высокий

Низкая

Ближняя ИК область

Низкая

Фосфид галлия (GaP)

Низкий

Высокая

От УФ до видимой области

Варьируется

Арсенид галлия (InGaAs)

Низкий

Высокая

Ближняя ИК область

Варьируется

Антимонид арсенида индия (InAsSb)

Высокий

Низкая

От ближней до средней ИК области

Высокая

Энзимы арсенида галлия (InGaAs)

Высокий

Высокая

Ближняя ИК область

Высокая

Теллурид кадмия ртути (MCT, HgCdTe)

Высокий

Низкий

От ближней до средней ИК области

Высокая

 

Емкость перехода

Емкость перехода (Cj) является важной характеристикой фотодиода, так как от этого зависит ширина полосы пропускания и чувствительность фотодиода. Следует отметить, что большие площади полупроводников охватывают большую часть соединения и увеличивают зарядную емкость. При применении метода обратного смещения ширина полосы обеднения увеличивается, из-за чего снижается емкость заряда и увеличивается скорость работы.

 

Ширина полосы пропускания и отклик

Сопротивление нагрузки будет взаимодействовать с емкостью перехода фотоприемника, ограничивая таким образом полосу пропускания. Для наилучшего частотного отклика необходимо использовать ограничитель в 50 Ом в сочетании с коаксиальным кабелем на 50 Ом. Полоса пропускания (fBW) и время нарастания (tr) теоретически вычисляются через значения емкости перехода (Cj) и сопротивления нагрузки (RLOAD):

форм3 ф иф

Эквивалентная мощность шумов

Эквивалентная мощность шумов (NEP) создается напряжением RMS-сигнала, когда отношение сигнал-шум равно (или близко) к единице. Это свойство необходимо, поскольку эквивалентная мощность шумов определяет способность детектора обнаруживать слабое излучение. Эквивалентная мощность шумов прямо пропорциональна активной площади детектора и определяется следующим уравнением:

форм 4 ф иф

Где S/N – отношение сигнал-шум, Δf – ширина полосы шума, и энергия возбуждения измеряется в Вт/см2.

 

Термическое сопротивление

Сопротивление нагрузки используется для преобразования генерируемого фототока в выходное напряжение (VOUT) для отображения на осциллографе:

ф5 ф ифи

В зависимости от типа фотодиода сопротивление нагрузки может влиять на скорость срабатывания. Для максимальной пропускной способности рекомендуется использовать коаксиальный кабель на 50 Ом с подходящим резистором на 50 Ом, расположенном на противоположном конце кабеля. Сопоставляя кабель с его характеристическим импедансом можно свести к минимуму вызывной сигнал. Если пропускная способность не важна, можно увеличить напряжение для данного уровня освещенности, увеличив сопротивление нагрузки (R

LOAD). При неверном расчете длина коаксиального кабеля может повлиять на итог эксперимента, поэтому рекомендуется выбирать кабель как можно более короткий.

 

Шунтирующее сопротивление

Сопротивление шунта представляет собой сопротивление нулевого смещения фотодиодного перехода. Идеальный фотодиод имеет бесконечное сопротивление шунта, но реальные значения могут варьироваться от десятка Ω до тысяч MΩ, а кроме того, шунтирующее сопротивление зависит от материала фотодиода. Например, детектор на основе арсенида галлия имеет шунтирующее сопротивление порядка 10 МОм, а германиевый детектор - в диапазоне до килоОм. Таким образом можно регулировать шумовой ток на фотодиоде. Тем не менее, для большинства задач высокая сопротивляемость оказывает малое влияние и обычно игнорируется.

 

Последовательное сопротивление

Последовательное сопротивление - это сопротивление полупроводникового материала, обычно им пренебрегают Последовательное сопротивление возникает из-за химических связей внутри фотодиода и используется в основном для определения линейности зависимостей некоторых характеристик фотодиода в условиях нулевого смещения.

 

Общие принципы работы

рис2 фиф

Рисунок 2. Схема обратного смещения (DET детекторы). Protection diode – защитный диод. Photodetector - фотоприемник. Voltage regulator – регулятор напряжения. C filter – RC-фильтр. V Bias – V-смещение

 

Детекторы серии DET основаны на схеме, изображенной выше. Детектор работает в режиме обратного направления, таким образом обеспечивается линейная зависимость чувствительности от приложенного света. Количество создаваемого фототока также зависит от падающего свете и длины волны. Эти данные можно вывести на осциллограф путем присоединения сопротивления нагрузки на выходе. Функция RC-фильтра состоит в том, чтобы с помощью него отделить любой высокочастотный шум, исходящий от сигнала источника питания.

рис 3 ф иф

Рисунок 3. Схема фотоприемника с усилителем. Transimpedance Amp – управляемый током усилитель напряжения. Feedback – обратная связь

Можно также использовать фотоприемник с усилителем, чтобы достичь высокого коэффициента усиления. Пользователь может выбрать режим работы. У каждого режима есть ряд преимуществ:

 

Влияние на частоту модуляции

Сигнал фотокондуктора будет оставаться постоянным до предельного времени отклика. Многие детекторы, включая устройства на PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеют спектр шума 1 / f (т. е. шум уменьшается с увеличением частоты модуляции), что существенно влияет на время отклика на более низких частотах.

Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.

Частота и обнаружение максимальны при:

форм 7 ф иф

 

PbS -  и PbSe – фотокондуктивные детекторы

Широко используются фотопроводящие детекторы свинцового сульфида (PbS) и селенида свинца (PbSe) для обнаружения инфракрасного излучения от 1000 до 4800 нм. В отличие от стандартных фотодиодов, которые создают ток при воздействии света, электрическое сопротивление фотопроводящего материала уменьшается при освещении светом. Хотя PbS и PbSe-детекторы могут использоваться при комнатной температуре, температурные колебания будут влиять на темновое сопротивление, чувствительность и частоту отклика.

баз конд

Рисунок 4. Базовая схема фотокондуктора. Active Area – рабочая площадь. Dark Resistance – темновое сопротивление. Ground - заземление. Bias Voltage – напряжение смещения. Output signal – выходной сигнал

 

Принцип действия

У фотопроводящих материалов падающий свет приводит к увеличению числа заряженных частиц в активной области, что уменьшает сопротивление детектора. Изменение сопротивления влечет к изменению регистрируемого напряжения, поэтому фоточувствительность принято выражать в единицах В / Вт. Пример рабочей схемы показан далее. Обратите внимание, что данная схема не предназначается для практических целей, так как в ней присутствует низкочастотный шум.

Механизм обнаружения основан на проводимости тонкой пленки активной области. Выходной сигнал детектора без падающего света определяется следующим уравнением:

2 форм 1 ф иф

В случае, когда свет попадает на активную область, изменение выходного напряжения определяется таким соотношением:

2 форм 2 ф иф

 

Частотный отклик

Для получения сигналов переменного тока фотопреобразователи должны подключаться в цепь, где присутствует импульсный сигнал. То есть при использовании этих детекторов в схемах с CW-источниками следует подключать оптический прерыватель. Чувствительность детектора (Rf) при использовании прерывателя рассчитывается уравнением:

2 форм 3 ф иф

Здесь fc - частота модуляции, R0 - отклик при нулевой частоте, τr - время нарастания импульса детектора.

 

Влияние на частоту модуляции

Сигнал фотокондуктора будет оставаться постоянным до предельного времени отклика. Многие детекторы, включая устройства на PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеют спектр шума 1 / f (т. е. шум уменьшается с увеличением частоты модуляции), что существенно влияет на время отклика на более низких частотах.

Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.

Частота и обнаружительная способность максимальны при:

2 форм 4 ф иф

 

Температурная устойчивость

Обнаружители состоят из тонкой пленки на стеклянной подложке. Эффективная форма и рабочая площадь фотопроводящей поверхности могут значительно варьироваться в зависимости от условий эксплуатации. При этом рабочие характеристики прибора также меняются, в частности - чувствительность детектора изменяется в зависимости от рабочей температуры.

Температурные характеристики запрещенных полос в соединениях PbS и PbSe отрицательны, поэтому охлаждение детектора сдвигает диапазон спектрального отклика на область более длинных волн. Для достижения наилучших результатов рекомендуется использовать фотодиоды в стабильной среде.

 

Схема фотопроводника с усилителем

Из-за шума, характерного для фотопроводниковых материалов, эти устройства подключают в цепи переменного тока. Шум постоянного тока, возникающий при смещении, слишком высок что негативно отражается на работе детектора.

ИК-детекторы обычно подключаются в сети переменного тока для снижения шумов. Предусилитель необходим для поддержания стабильности и лучшей регистрации генерируемого сигнала.

На схеме видно, что операционный усилитель установлен в участке цепи обратной связи между точками А и В. Разность между двумя входными потенциалами увеличивается и сохраняется на выходе. Также важно обратить внимание на фильтр верхних частот, блокирующий любой сигнал постоянного тока. Кроме того, сопротивление нагрузочного резистора (RLOAD) должно равняться темновому сопротивлению детектора, чтобы обеспечить получение максимального сигнала. Напряжение блока питания (+ V) должно соответствовать величине напряжения, когда отношение сигнал-шум близко к единице. Некоторые задачи требуют большего напряжения, что провоцирует возрастание шумов.

Выходное напряжение вычисляется следующим образом:

2 форм 5 ф и ф

2 модель ф и фи

Рисунок 5. Feedback resistor – резистор обратной связи

 

Отношение сигнал/шум

Так как шум от детектора обратно пропорционален частоте модуляции, на низких частотах шум достигает наибольшего значения. Выходной сигнал детектора линейно зависит от возрастающего напряжения смещения, но влиянием шума на небольшие смещения можно пренебречь. При достижении напряжение смещения, шум детектора будет линейно увеличиваться пропорционально напряжению. Если напряжение слишком высоко, шум будет увеличиваться экспоненциально, тем самым ухудшая отношение сигнал / шум. Чтобы получить наилучшее отношение, частоту модуляции и напряжение смещения необходимо регулировать.

 

Эквивалентная мощность шумов

Эквивалентная мощность шумов (NEP) создается напряжением RMS-сигнала, когда отношение сигнал-шум равно единице. Это необходимо, поскольку эквивалентная мощность шумов определяет способность детектора обнаруживать малое излучение. Мощность шумов прямо пропорциональна активной площади детектора и определяется следующим уравнением:

2 форм 6 ф иф

Где S/N – отношение сигнал-шум, Δf – ширина полосы шума, и энергия возбуждения измеряется в Вт/см2.

 

Темновое сопротивление
Темновое сопротивление - это сопротивление детектора без падающего света. Важно отметить, что темное сопротивление имеет тенденцию увеличиваться или уменьшаться с температурой. Охлаждение устройства увеличивает темное сопротивление.

 

Обнаружение (D) и удельная обнаружительная способность(D*)

Обнаружительная способность (D) - еще один критерий оценки работы фотоприемника. Это мера чувствительности, связанная обратной зависимостью с эквивалентной мощностью шума.

2 форм 7 ф и ф

Высокие значения обнаружительной способности указывают на высокую чувствительность, что особенно важно для обнаружения сигналов слабого излучения. Обнаружительная способность зависит от длины волны падающего света.

Эквивалентная мощность шумов детектора зависит от активной области детектора, что также влияет на чувствительность. Это затрудняет определение внутренних свойств пары детекторов. Чтобы проигнорировать ненужные зависимости, для оценки работы фотоприемника используется такое понятие как удельная способность к обнаружению (D *), которая не зависит от рабочей области детектора.

2 форм 8 ф иф

 

© Thorlabs Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ

 

2 форм 8 ф иф

2 форм 8 ф иф

 

Приборы ИК-диапазона

Общие сведения

Инфракрасный (ИК) диапазон - это диапазон излучения электромагнитных волн от 0.78 до 1000 мкм.

ИК поддиапазоны:

  • Ближний ИК (англ. near IR, сокращённо NIR ): 0.78 - 1 мкм;
  • Коротковолновый ИК (англ. short wavelength IR, сокращённо SWIR ): 1 - 3 мкм;
  • Средневолновый ИК (англ. medium wavelength IR, сокращённо MWIR ): 3 - 6 мкм;
  • Длинноволновый ИК (англ. long wavelength IR, сокращённо LWIR ): 6 - 15 мкм;
  • Сверхдлиннволновый ИК (англ. very long wavelength IR, сокращённо VLWIR ): 15 - 1000 мкм.

Инфракрасный спектральный диапазон 0,78 - 3 мкм применяется в ВОЛС (сокр. от волоконно-оптическая линия связи), приборах внешнего наблюдения за объектами и аппаратуре для проведения химического анализа. В свою очередь все длины волн начиная с 2 мкм и заканчивая 5 мкм используются  в пирометрах, и газовых анализаторах, контролирующих уровень загрязнения в конкретной среде. Интервал 3 - 5 мкм более подходит для систем, регистрирующих изображения объектов, с высокой собственной температурой или же в применениях где требование к контрасту предъявляются выше чем к чувствительности. Очень популярный для спецприменений спектральный диапазон  8 - 15 мкм в основном используется там, где необходимо увидеть и распознать любые объекты, находящиеся в тумане.

Все ИК-приборы разрабатываются в соответствии с графиком пропускания ИК излучения, который приведён ниже.

wave_length.jpg

 

Существует два типа ИК детекторов:

    • Фотонные. Чувствительные элементы состоят из полупроводников различных типов, а так же могут включать в свою структуру различные металлы, принцип их работы основан на поглощении фотонов носителями заряда, в результате чего изменяются электрические параметры чувствительной области, а именно: изменение сопротивления, возникновение разности потенциалов, фототока и др. Данные изменения могут быть зарегистрированы измеряющими схемами, сформированными на подложке, где расположен сам сенсор. Сенсоры обладают высокой чувствительностью и высокой скоростью отклика.
  • Тепловые. ИК излучение поглощается чувствительной областью сенсора, нагревая её до некоторой температуры, что приводит к изменению физических параметров. Данные отклонения которые могут быть зарегистрированы измеряющими схемами, выполненными непосредственно на одной подложке с фоточувствительной областью. Описанные выше типы датчиков имеют высокую инерционность, значительное время отклика и относительно низкую чувствительность, в сравнении с фотонными детекторами.

По типу используемого полупроводника датчики разделяются на:

  • Собственный (нелегированный полупроводник с равной концентрацией дырок и элеткронов).
  • Примесный (легированный полупроводник n- или p-типа).

Основным материалом всех фоточувствительных сенсоров является кремний или германий, которые могут быть легированы различными примесями бора, мышьяка, галлия и др. Примесный фоточувствительный датчик схож с собственным детектором, с той лишь разницей что носители с донорных и акцепторных уровней могут перемещаться в зону проводимости преодолевая более низкий энергетический барьер, вследствие чего данный детектор может работать с более короткими длинами волн, чем собственный.

Типы конструкций детекторов:

Фотовольтаический

Фотовольтаический. Под воздействием ИК излучения в электронно-дырочном переходе возникает фотовольтаический эффект: фотоны с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны, поглощаются электронами, в результате чего они занимают места в зоне проводимости, способствуя тем самым возникновению фототока. Детектор может быть выполнен на основе как примесного так и собственного полупроводника.

Фоторезистивный.jpgФоторезистивный.  Чувствительным элементом сенсора является полупроводник, принцип работы данного датчика основан на эффекте изменения сопротивления проводящего материала под воздействием ИК излучения. Свободные носители заряда, генерируемые фотонами в чувствительной области, приводят к уменьшению её сопротивления. Сенсор может быть выполнен на основе как примесного так и собственного полупроводника.

Фотоэмиссионный.jpg

Фотоэмиссионный, он же «детектор на свободных носителях» или на барьере Шоттки.; Чтобы избавиться от необходимости глубокого охлаждения примесных полупроводников, и в некоторых случаях достичь чувствительности в более длинноволновом диапазоне, существует третий тип детекторов, называемых фотоэмиссионными. В датчиках данного типа металлическая или металло-кремниевая структура покрывает примесный кремний. Свободный электрон, который образуется в результате взаимодействия с фотоном, попадает из проводника в кремний. Преимуществом такого детектора является отсутствие зависимости отклика от характеристик полупроводника.

Фотодетектор_на_квантовой_яме.jpgФотодетектор на квантовой яме. Принцип действия схож с примесными детекторами, в которых примеси используются для изменения структуры запрещённой зоны. Но в данном типе детектора примеси сконцентрированы в микроскопических областях где ширина запрещенной зоны  значительно сужена. Образованная таким образом «яма» называется квантовой. Регистрация фотонов происходит, за счет поглощения и образования зарядов в квантовой яме, которые затем вытягиваются полем в другую область. Такой детектор намного чувствительнее по сравнению с другими типами, так как целая квантовая яма - это не отдельный атом примеси, а от десяти до ста атомов на единице площади. Благодаря этому можно говорить о достаточно высокой эффективной площади поглощения.

Термопары.jpg

Термопары. Основным элементом данного устройства является контактная пара двух металлов с различной работой выхода, в результате чего на границе возникает разность потенциалов. Это напряжение пропорционально температуре контакта.

Пироэлектрический.jpg

Пироэлектрические детекторы изготовлены с использованием пироэлектрических материалов и принцип работы которых основан на возникновении заряда в пироэлектрике при прохождении через него теплового потока.

   

Микробалочный.jpgМикробалочные детекторы. Состоит из микробалки и проводящего основания, которые выполняют роль обкладок конденсатора, микробалка сформирована из двух плотно соединённых металлических частей, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. При нагреве балка изгибается и изменяет ёмкость структуры.

Терморезистор.jpg

Болометры (Терморезисторы) состоят из терморезистивного материала, в основе принципа работы данного сенсора поглощение ИК излучения материалом чувствительного элемента, что приводит к увеличению его температуры, что в свою очередь вызывает изменение электрического сопротивления. Есть два пути снятия информации: измерение тока, протекающего в чувствительной области, при постоянном напряжении и измерение напряжения при постоянном токе.

Основные параметры

Чувствительность - отношение изменения электрической величины на выходе приёмника излучения, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения. В/лк-с.

Интегральная чувствительность - чувствительность к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава. Измеряется в А/лм.

Спектральная чувствительность -  зависимость чувствительности от длины волны излучения.

Обнаружительная способность - величина обратная величние минимального потока излучения, который вызывает на выходе сигнал, равный собственному шуму. Она обратно пропорциональна квадратному корню из площади примёмника излучения. Измеряется в 1/Вт.

Удельная обнаружительная способность - Обнаружительная способность умноженная на корень квадратный из произведения полосы частот в 1 Гц и площадь в 1 см2. Измеряется в см*Гц1/2/Вт.

Время отклика - время, необходимое для установления сигнала на выходе, соответствующего входному воздействию. Измеряется в миллисекундах.

Рабочая температура - максимальная температура сенсора и окружающей среды, при которой сенсор имеет возможность правильно выполнять свои функции. Измеряется в °C.

Параметр

Фотонный детектор

Тепловой детектор

Чувствительность

Высокая

Низкая

Интегральная чувствительность

Средняя

Высокая

Спектральная чувствительность

Узкая и избирательная

Широкая и однородная

Время отклика

Малое

Значительное

Рабочая температура

Криогенная

Комнатная

Стоимость

Высокая

Низкая

Прочие требования

Система охлаждения

Затвор



Применение:

  • Космические системы наблюдения;
  • Система обнаружения стартов МБР;
  • В бесконтактных термометрах;
  • В датчиках движения;
  • В ИК спектрометрах;
  • В приборах ночного видения;
  • В головках самонаведения.

ИК-приёмник. Устройство и принцип его работы.

Устройство и характеристики ИК-приёмника

В бытовой радиоэлектронной аппаратуре получили широкое применение интегральные приёмники инфракрасного излучения. По-другому их ещё называют ИК-модулями.

Их можно обнаружить в любом электронном приборе, управлять которым можно с помощью пульта дистанционного управления.

Вот, например, ИК-приёмник на печатной плате телевизора.

ИК-приёмник на печатной плате телевизора
ИК-приёмник на печатной плате телевизора

Несмотря на кажущуюся простоту данного электронного компонента – это специализированная интегральная схема, предназначенная для приёма инфракрасного сигнала от пультов дистанционного управления (ДУ). Как правило, ИК-приёмник имеет не менее 3-х выводов. Один вывод является общим и подключается к минусу «-» питания (GND), другой служит плюсовым «+» выводом (Vs), а третий выходом принимаемого сигнала (Out).

В отличие от обычного инфракрасного фотодиода, ИК-приёмник может принимать и обрабатывать инфракрасный сигнал, представляющий собой ИК-импульсы фиксированной частоты и определённой длительности – пачки импульсов. Это технологическое решение избавляет от случайных срабатываний, которые могут быть вызваны фоновым излучением и помехами со стороны других приборов, излучающих в инфракрасном диапазоне.

ИК-модуль серии TSOP

Например, сильные помехи для приёмника ИК-сигналов могут создавать люминесцентные осветительные лампы с электронным балластом. Понятно, что использовать ИК-приёмник взамен обычного ИК-фотодиода не получиться, ведь ИК-модуль является специализированной микросхемой, заточенной под определённые нужды.

Для того чтобы понять принцип работы ИК-модуля разберёмся более детально в его устройстве с помощью структурной схемы.

Структурная схема ИК-модуля

Микросхема приёмника ИК-излучения включает:

  • PIN-фотодиод

  • Регулируемый усилитель

  • Полосовой фильтр

  • Амплитудный детектор

  • Интегрирующий фильтр

  • Пороговое устройство

  • Выходной транзистор

Структурная схема ИК-модуля
Структурная схема ИК-модуля

PIN-фотодиод – это разновидность фотодиода, у которого между областями n и p расположена область из собственного полупроводника (i-область). Область собственного полупроводника – это по сути прослойка из чистого полупроводника без внесённых в него примесей. Именно этот слой и придаёт PIN-диоду его особенные свойства. К слову сказать, PIN-диоды (не фотодиоды) активно применяются в СВЧ электронике. Взгляните на свой мобильный телефон, в нём также используется PIN-диод.

Но, вернёмся к PIN-фотодиоду. В обычном состоянии ток через PIN-фотодиод не протекает, так как в схему он включен в обратном направлении (в так называемом обратном смещении). Так как под действием внешнего инфракрасного излучения в i-области возникают электронно-дырочные пары, то в результате через диод начинает протекать ток. Этот ток затем преобразуется в напряжение и поступает на регулируемый усилитель.

Далее сигнал с регулируемого усилителя поступает на полосовой фильтр. Он служит защитой от помех. Полосовой фильтр настроен на определённую частоту. Так в ИК-приёмниках в основном используются полосовые фильтры, настроенные на частоту 30; 33; 36; 36,7; 38; 40; 56 и 455 килогерц. Чтобы излучаемый пультом ДУ сигнал мог быть принят ИК-приёмником, он должен быть модулирован такой же частотой, на которую настроен полосовой фильтр ИК-приёмника. Вот так, например, выглядит модулированный сигнал от излучающего инфракрасного диода (см. рисунок).

Сигнал от ИК-диода

А вот так выглядит сигнал на выходе ИК-приёмника.

Сигнал с ИК-приёмника

Стоит отметить, что избирательность полосового фильтра невелика. Поэтому ИК-модуль с фильтром на 30 килогерц вполне может принимать сигнал частотой 36,7 килогерц и более. Правда, при этом расстояние уверенного приёма заметно снижается.

После того, как сигнал прошёл через полосовой фильтр, он поступает на амплитудный детектор и интегрирующий фильтр. Интегрирующий фильтр необходим для подавления коротких одиночных всплесков сигнала, которые могут быть вызваны помехами. Далее сигнал поступает на пороговое устройство, а затем на выходной транзистор.

Для устойчивой работы приёмника коэффициент усиления регулируемого усилителя контролируется системой автоматической регулировки усиления (АРУ). Поскольку полезный сигнал представляет собой пачку импульсов определённой длительности, то из-за инерционности АРУ сигнал успевает пройти через тракт усиления и остальные узлы схемы.

В случае, когда длительность пачки импульсов чрезмерна система АРУ срабатывает, и приёмник перестаёт принимать сигнал. Такая ситуация может возникнуть, когда ИК-приёмник засвечен люминесцентной лампой с электронным балластом, который работает на частотах 30 – 50 килогерц. В таком случае промодулированное инфракрасное излучение паров ртути лампы может пройти защитный полосовой фильтр фотоприёмника и вызвать срабатывание АРУ. Естественно, при этом чувствительность ИК-приёмника падает.

Поэтому не стоит удивляться, когда фотоприёмник телевизора плохо принимает команды от пульта ДУ. Возможно, ему просто мешает засветка люминесцентных ламп.

Автоматическая регулировка порога (АРП) выполняет аналогичную функцию, что и АРУ, управляя порогом срабатывания порогового устройства. АРП выставляет уровень порога срабатывания таким образом, чтобы уменьшить число ложных импульсов на выходе модуля. При отсутствии полезного сигнала число ложных импульсов может достигать 15-ти в минуту.

Форма корпуса ИК-модуля способствует фокусировке принимаемого излучения на чувствительную поверхность фотодиода. Материал же корпуса пропускает излучение с длиной волны от 830 до 1100 нм. Таким образом, в устройстве реализован оптический фильтр. Для защиты элементов приёмника от воздействия внешних электрических полей в модуле установлен электростатический экран. На фотографии показаны ИК-модули марки HS0038A2 и TSOP2236. Для сравнения рядом показаны обычные ИК-фотодиоды КДФ-111В и ФД-265.

ИК-приёмники
ИК-модули

ИК-Фотодиоды
Фотодиоды

Как проверить исправность ИК-приёмника?

Поскольку приёмник ИК-сигналов является специализированной микросхемой, то для того, чтобы достоверно проверить её исправность необходимо подать на микросхему напряжение питания. Например, номинальное напряжение питания для «высоковольтных» ИК-модулей серии TSOP22 составляет 5 вольт. Потребляемый ток составляет единицы миллиампер (0,4 – 1,5 мА). При подключении питания к модулю стоит учитывать цоколёвку.

В состоянии, когда на приёмник не подаётся сигнал, а также в паузах между пачками импульсов напряжение на его выходе (без нагрузки) практически равно напряжению питания. Выходное напряжение между общим выводом (GND) и выводом выхода сигнала можно замерить с помощью цифрового мультиметра. Также можно замерить потребляемый модулем ток. Если ток потребления превышает типовой, то скорее всего модуль неисправен.

О том, как проверить исправность ИК-приёмника с помощью блока питания, мультиметра и пульта ДУ читайте здесь.

Как видим, приёмники ИК-сигналов, используемые в системах дистанционного управления по инфракрасному каналу, имеют достаточно изощрённое устройство. Данные фотоприёмники часто используют в своих самодельных устройствах любители микроконтроллерной техники.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Инфракрасный светодиод-сфера применения ИК диодов

Инфракрасный светодиод (ИК-светодиод) представляет собой специальный светодиод, излучающий инфракрасные лучи длиной от 700 до 1 мм. Различные ИК-светодиоды могут создавать инфракрасный свет с разными длинами волн, так же как разные светодиоды производят свет разных цветов. ИК-светодиоды обычно изготавливают из арсенида галлия или арсенида галлия алюминия. В дополнение к ИК-приемникам они обычно используются в качестве датчиков.

Внешний вид ИК-светодиода аналогичен общему светодиоду. Поскольку человеческий глаз не может видеть инфракрасное излучение, человеку невозможно определить, работает ли ИК-светодиод. Эта проблема устранена камерой на сотовой телефоне. ИК-лучи от ИК-светодиода в цепи показаны в камере.

Пин-схема инфракрасный светодиод

Инфракрасный светодиод представляет собой диод или простой полупроводник. Электрический ток пропускается только в одном направлении в диодах. По мере протекания тока электроны падают с одной части диода в отверстия на другой части. Чтобы попасть в эти дыры, электроны должны пролить энергию в виде фотонов, которые производят свет.

Необходимо модулировать излучение от Инфракрасного светодиода, чтобы использовать его в электронном приложении для предотвращения ложного срабатывания. Модуляция делает сигнал от Инфракрасного светодиода выше шума. Инфракрасные диоды имеют рассеиватель, который непрозрачен для видимого света, но прозрачен для инфракрасного излучения. Массовое использование Инфракрасных светодиодов в пульте дистанционного управления и системах охранной сигнализации резко сократило цены на Инфракрасные светодиоды на рынке.

ИК-датчик инфракрасный светодиод

ИК-датчик — это устройство, которое обнаруживает, что на него падает ИК-излучение. Датчики приближения (используются в телефонах с сенсорным экраном и исключая роботы), контрастные датчики (используемые в линейных следящих роботах) и счетчики / датчики препятствий (используемые для подсчета товаров и в охранной сигнализации) — это некоторые приложения, в которых используются ИК-датчики.

Принцип работы

ИК-датчик состоит из двух частей: схемы эмиттера и схемы приемника. Это коллективно известно как фотосоединитель или оптрон.

Эмиттер — это инфракрасный светодиод, а детектор — ИК-фотодиод. ИК-фотодиод чувствителен к ИК-лучу, излучаемому ИК-светодиодом. Сопротивление фотодиода и выходное напряжение изменяются пропорционально полученному ИК-лучу. Это основной принцип работы ИК-датчика.

Тип заболеваемости может быть прямой или косвенной. При прямом падении инфракрасный светодиод помещается перед фотодиодом без препятствия между ними. При косвенном падении оба диода располагаются рядом с непрозрачным предметом перед датчиком. Свет от ИК-светодиода попадает на непрозрачную поверхность и возвращается обратно к фотодиоду.

ИК-датчики находят широкое применение в различных областях. Давайте посмотрим на некоторые из них.

Датчики приближения

Датчики приближения используют рефлексивный принцип косвенного падения. Фотодиод получает излучение, излучаемое ИК-светодиодом, когда оно отражено обратно объектом. Чем ближе объект, тем выше будет интенсивность падающего излучения на фотодиоде. Эта интенсивность преобразуется в напряжение для определения расстояния. Датчики приближения находят применение в телефонах с сенсорным экраном, среди других устройств. Дисплей отключен во время вызовов, так что, даже если щека контактирует с сенсорным экраном, эффекта нет.

Роботы-последователи

В линейке следующих роботов ИК-датчики определяют цвет поверхности под ним и посылают сигнал микроконтроллеру или основной цепи, который затем принимает решения в соответствии с алгоритмом, установленным создателем бота. Линейные последователи используют рефлексивные или не отражающие косвенные случаи. ИК отражается обратно к модулю с белой поверхности вокруг черной линии. Но ИК-излучение полностью поглощается черным цветом. Нет никакого отражения инфракрасного излучения, возвращающегося к сенсорному модулю черного цвета.

Счетчик предметов

Счетчик элементов реализован на основе прямого падения излучения на фотодиод. Всякий раз, когда предмет препятствует невидимой линии ИК-излучения, значение хранимой переменной в компьютере / микроконтроллере увеличивается. Это показывают светодиоды, семисегментные дисплеи и ЖК-дисплеи. Системы мониторинга крупных заводов используют эти счетчики для подсчета продукции на конвейерных лентах.

Охранная сигнализация

Прямая частота излучения на фотодиоде применима в схеме охранной сигнализации. ИК-светодиод установлен на одной стороне дверной коробки, а фотодиод — на другой. ИК-излучение, излучаемое инфракрасным светодиодом, попадает на фотодиод непосредственно в обычных условиях. Как только человек препятствует ИК-тракту, будильник гаснет. Этот механизм широко используется в системах безопасности и реплицируется в меньших масштабах для небольших объектов, таких как экспонаты на выставке.

Какие светодиоды стоят?

Как проверить светодиод?

Лучшие светодиоды

полупроводниковый фотодиод для инфракрасного излучения - патент РФ 2469438

Изобретение представляет собой высокоэффективный полупроводниковый фотодиод для детектирования ИК-излучения, который содержит содержит две сформированные на подложке мезы, поверхность одной из которых является чувствительной площадкой, а другой является контактной, тыльный и фронтальный омические контакты. Тыльный контакт выполнен сплошным и нанесен со стороны подложки, а фронтальный выполнен в виде мостика, причем продольная ось мостика сориентирована под углом 40-50° к кристаллическому направлению {110} подложки А3В5. Мостик электрически изолирован от мезы с контактной площадкой анодным окислом и нанесенным на него по меньшей мере еще одним слоем диэлектрика. Изобретение обеспечивает возможность увеличения эффективности фотодиода за счет одновременного увеличения быстродействия и обнаружительной способности прибора. 2 ил., 5 пр.

Рисунки к патенту РФ 2469438

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, а именно к полупроводниковым фоточувствительным приборам, предназначенным для детектирования инфракрасного (ИК) излучения при комнатной температуре. Данные полупроводниковые ИК фотодиоды могут применяться в различных областях науки и техники, в промышленности: в диодно-лазерной спектроскопии, в медицине, в системах дальнометрии и локации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, в оптических системах связи и передачи информации, в том числе, по открытому воздушному каналу.

В настоящее время возникла острая потребность в фотодиодах для регистрации коротких лазерных импульсов в ИК-диапазоне спектра. Для данного спектрального диапазона разработаны различные типы лазеров: полупроводниковые лазеры на основе GaSb и его твердых растворов - квантово-каскадные, с резонатором Фабри-Перо и с дисковым резонатором, работающие при комнатной температуре, а также мощные компактные твердотельные лазеры на основе кристаллов YAG и Nd-KGW, легированных ионами Но, Tm и Er. Однако проблема создания высокоэффективных быстродействующих приемников для детектирования излучения таких лазеров не решена.

Например, существуют быстродействующие фотодиоды на основе Ge для спектрального диапазона 1.0-1.7 мкм. Тем не менее, приемники с быстродействием выше 100 пс в диапазоне длин волн 1.7-5.0 мкм отсутствуют. Это препятствует созданию такой медицинской аппаратуры, как новый вид оптического томографа, задерживает разработку оптических линии связи в открытом пространстве (Free-Space Optics Communication), не требующих прокладки дорогостоящих каналов волоконно-оптической связи (ВОЛС). Современные фотодиоды спектрального диапазона 1.7-5.0 мкм имеют ряд существенных недостатков. В результате интенсивных исследований, как в России, так и за рубежом к настоящему времени созданы фотодиоды на основе полупроводников A3B5 - на основе как бинарных соединений (InAs, InSb, GaSb), так и многокомпонентных твердых растворов (GalnAsSb/GaAlAsSb, InAs(Sb)/InAsSbP). Одним из основных недостатков InAs, InSb и InAs/InAs(Sb)/InAsSbP фотодиодов является невозможность обеспечить высокую эффективность без глубокого охлаждения, и такие фотодиоды демонстрируют приемлемые для работы характеристики только при криогенных температурах (-196°С).

Задача создания высокоэффективных быстродействующих ИК-приемников, работающих при комнатной температуре, заставляет искать новые альтернативные подходы к принципам работы и конструкции приборов. Увеличение эффективности фотодиодов возможно повышением обнаружительной способности и повышением быстродействия. Обнаружительная способность D* фотодиода определяется по следующей формуле [Jones R.C. Performance of Detectors for Visible and Infrared Radiation in book Advances in Electronics, Academic, New York, 5, 1 (1953)]:

где Ri - токовая монохроматическая чувствительность, А/Вт, S - площадь чувствительной площадки, см2; in - величина шумового тока, А.

Из формулы (1) следует, что для повышения обнаружительной способности фотодиода необходимо снижать величину шумового тока, который связан следующим образом с величиной обратного темнового тока:

где id - величина обратного темнового тока, A; q - заряд электрона, Кл.

С другой стороны, для повышения D* фотодиода необходимо увеличивать площадь чувствительной площадки S, что ведет к увеличению собственной емкости и, следовательно, снижению быстродействия фотодиода.

Таким образом, задача увеличения эффективности фотодиода для ИК-излучения на основе полупроводников A3B5 за счет одновременного увеличения его обнаружительной способности и быстродействия не решена.

Одним из недостатков существующих фотодиодов для ИК-излучения на основе полупроводников A3B 5 является снижение их эффективности из-за затенения чувствительной площадки расположенным на ее поверхности металлическим фронтальным контактом. Площадь чувствительной площадки S уменьшается на величину площади контакта на ее поверхности, при этом уменьшается D * фотодиода. В формуле (1) под S понимается эффективная площадь чувствительной площадки, а именно площадь чувствительной к ИК-излучению поверхности, не занятой контактами.

Для таких типов полупроводниковых приборов как транзисторы [LI Xian-Jie, CAI Dao-Min, ZENG Qing-Ming, LIU Shi-Yong, LIANG Chun-Guanng, Self-Aligned InP/InGaAs single heterojunction bipolar transistor with novel micro-airbrige structure and quasi-coplanar contacts, Chin. Phys. Lett. 20 (2), 311 (2003)], диоды Шоттки [А.Notargiacomo, R.Bagni, E.Giovine, V.Foglietti, S.Carta, M.Pea, L. Di Gaspare, G.Capellini, F.Evangelisti, Fabrication of air-bridge Schottky diodes on germanium for high speed IR detectors, Microelectron. Eng. (2011), doi: 10.1016/j.mee.2010.11.046] известны мостиковые контакты.

Известен p-i-n фотодиод для ИК-излучения на основе InAsSb для спектрального диапазона 2.5-4.9 мкм [В.В.Шерстнев, Д.Старостенко, И.А.Андреев, Г.Г.Коновалов, Н.Д.Ильинская, О.Ю.Серебренникова, Ю.П.Яковлев, Письма в ЖТФ 37 (1), 11-17 (2011)], взятый за аналог. Фотодиод включает мезу с чувствительной площадкой, сформированную на поверхности полупроводниковой гетероструктуры, омические контакты. Гетероструктура на подложке n-InAs состоит из широкозонного слоя InAsSbP, активной области InAs0.88Sb0.12 и широкозонного окна InAsSbP. Диаметр чувствительной площадки фотодиода составляет 300 мкм. Фронтальный контакт к слою p-InAsSbP является точечным с диаметром 30 мкм и контактная площадка располагается на поверхности чувствительной площадки фотодиода. Тыльный контакт к подложке n-InAs является сплошным. Длинноволновая граница спектральной чувствительности фотодиода достигает 4.9 мкм при Т=300 К. Коротковолновая граница спектральной чувствительности фотодиода составляет 2.5 мкм. Токовая монохроматическая чувствительность фотодиодов в максимуме спектра ( max=4.0-4.6 мкм) имеет значение Ri =0.6-0.8 A/W, что соответствует квантовой эффективности 15-20%. Значение плотности обратных темновых токов фотодиода составляет (1.3-7.5)×10-2 А/см2 при напряжении обратного смещения U=-0.2 В. Быстродействие фотодиода является типичным для приборов на основе A3B5 и составляет 1-5 нс. Обнаружительная способность фотодиодов в максимуме спектральной чувствительности с учетом токовой монохроматической чувствительности и величины шумов, определяемых дробовыми шумами сопротивления в 200-500 Ом, достигает значений D*=(5-8)×10 8W-1×cm×Hz1/2.

К достоинствам данного фотодиода можно отнести возможность работы при комнатной температуре в длинноволновом диапазоне 2.5-4.9 мкм.

Основным недостатком устройства-аналога являются невысокая эффективность за счет низких обнаружительной способности и быстродействия фотодиода. Обнаружительная способность D * фотодиода снижена из-за затенения чувствительной площадки расположенным на ее поверхности металлическим фронтальным контактом. Кроме того, в данной конструкции уменьшение площади чувствительной площадки, позволяющее снизить собственную емкость и, соответственно, повысить быстродействие фотодиода, приведет к дальнейшему снижению обнаружительной способности.

Известен p-i-n фотодиод для ИК-излучения на основе GaInAsSb для спектрального диапазона 0.9-2.4 мкм [И.А.Андреев, О.Ю.Серебренникова, Г.С.Соколовский, Е.В.Куницына, В.В.Дюделев, И.М. Гаджиев, А.Г.Дерягин, Е.А.Гребенщикова, Г.Г.Коновалов, М.П.Михайлова, Н.Д.Ильинская, В.И.Кучинский, Ю.П.Яковлев, Письма в ЖТФ 36 (9), (2010)], взятый за аналог. Фотодиод включает мезу с чувствительной площадкой, сформированную на поверхности полупроводниковой гетероструктуры, омические контакты. Гетероструктура на подложке n-GaSb состоит из активной области n-Ga0.78 In0.22As0.18Sb0.82 и широкозонного окна p-Ga0.66Al0.34Sb0.025As 0.975. Диаметр чувствительной площадки фотодиода составляет 100 мкм. Фронтальный контакт к слою p-GaAlAsSb является точечным с диаметром 30 мкм и контактная площадка располагается на поверхности чувствительной площадки фотодиода. Тыльный контакт к подложке n-GaSb является сплошным. Длинноволновая граница спектральной чувствительности фотодиода достигает 2.4 мкм при Т=300 К. Коротковолновая граница спектральной чувствительности фотодиода составляет 0.9 мкм. При нулевом смещении фотодиоды имели собственную емкость 2.0-3.0 пФ. При обратном смещении 3.0 В емкость фотодиода имеет величину 0.9-1.2 пФ. Токовая монохроматическая чувствительность на длине волны =2.1 мкм достигает Ri=0.9-1.1 A/W, что соответствует квантовой эффективности 0.6-0.7 без антиотражающего покрытия. Величина обратного темнового тока для лучших образцов фотодиода составляет (500-1000) нА при обратном напряжении U=-(0.5-3.0) В. Обнаружительная способность фотодиодов, определенная по формуле [1], в максимуме спектра имеет значение D*=9.0×1010 W-1×cm×Hz1/2. Быстродействие фотодиода, определяемое по времени нарастания импульса фотоотклика на уровне 0.1-0.9, составляет величину (130-150) пс. Полоса пропускания фотодиодов достигает значения 2 HGz.

К достоинствам данного фотодиода можно отнести достаточно высокое быстродействие для приемников ИК-излучения в спектральном диапазоне 0.9-2.4 мкм при высоком значении обнаружительной способности, т.е. довольно высокую эффективность при комнатной температуре.

Основными недостатками устройства-аналога являются снижение эффективности из-за затенения чувствительной площадки расположенным на ее поверхности металлическим фронтальным контактом, приводящего к уменьшению эффективной площади чувствительной площадки и, таким образом, к уменьшению D* фотодиода, а также невозможность дальнейшего снижения собственной емкости фотодиода, и, следовательно, повышения его быстродействия при сохранении/повышении обнаружительной способности за счет уменьшения площади чувствительной площадки.

Известен быстродействующий p-i-n фотодиод на основе InGaAs для селективного перестраиваемого приемного устройства - фильтра, работающего на длине волны 1.55 мкм с диапазоном перестройки 44 нм [C.Dhanavantri, H.Halbritter, O.P.Daga, J.P.Pachauh, F.Riemenschneider, P.Meissner, and B.R.Singh, Fabrication of PIN diodes for WDM tunable and wavelength selective receivers, in Proc. 7th Conference on Optoelectronics, Fiber Optics & Photonics (Photonics), Cochin, Indien, Dezember 2004, p.340], взятый за прототип. Фотодиод включает мезу с чувствительной площадкой, сформированной на поверхности полупроводниковой гетероструктуры на основе A3B 5, омические контакты. Гетероструктура на подложке n-lnP состоит из буферных слоев In0.52Al0.48As и In0.53Ga0.47As, общей толщиной 65 nm, легированных n+-слоев In0.52Al0.48 As, In0.53Ga0.47As и In0.52Al 0.48As, толщиной 200 nm, 50 nm and 500 nm, соответственно; нелегированной активной области In0.53Ga0.47 As; верхних р+-слоев In0.52Al0.48 As и In0.53Ga0.47As, толщиной 200 nm and 50 nm. На структуру со стороны подложки InP нанесено диэлектрическое Брэгговское зеркало из 7 пар SiOs/Ta2O 5, необходимое для применения фотодиода в качестве селективного перестраиваемого фильтра. Для создания мезы использовалось мокрое травление. На первой стадии с фронтальной поверхности гетероструктуры вокруг чувствительной площадки мезы удалялись все слои до контактного n+-In0.53Ga0.47As слоя. На второй стадии ступенчатого травления с одной стороны от мезы удалялись все слои до подложки InP. Диаметр чувствительной площадки фотодиода составляет 100 мкм. Омические контакты р+ и n + выполнены фронтальными, поскольку с тыльной стороны подложки нанесено Брэгговское зеркало. С противоположных сторон мезы на фронтальной поверхности сформированы две контактные площадки: n+-Ti/Pt/Au - на контактном n+-In0.53 Ga-As слое, p+-Pd/AuGe/Au - на поверхности подложки InP. Омический контакт p+-Pd/AuGe/Au, усиленный электролитическим золотом толщиной 2.5 мкм, выполнен в мостиковой конфигурации. Один конец мостика в виде кольца с диаметром, близким к диаметру мезы, лежит на чувствительной площадке. Другой конец мостика соединен с контактной р+ площадкой на поверхности подложки InP.

Пик спектральной чувствительности фотодиодов на основе InGaAs, выращенных на подложке InP, лежит на длине волны 1.55 мкм. Диапазон спектральной чувствительности фотодиодов является узким - полуширина пика на полувысоте составляет 0.2 нм и диапазон перестройки пика 44 нм. Фотодиоды с диаметром мезы 100 мкм имеют собственную емкость при нулевом смещении ~2.5 пФ. При обратном смещении 3.0 В емкость фотодиода падает до ~1.0 пФ. Плотность емкости меняется от 7.7 мкФ×см-2 до 9.7 мкФ×см-2 при изменении диаметра мезы от 500 мкм до 60 мкм. Плотность обратного темнового тока фотодиодов 100 мкм составляет ~10 нА при обратном напряжении U=-3.0 В. Ширина полосы пропускания InGaAs/InAlAs/InP фотодиодов достигает 2.5 ГГц.

Данная конструкция фотодиода с мостиковым контактом позволяет минимизировать паразитную емкость. А именно, при включении фотодиода в схему в качестве селективного фильтра контактные провода, подводимые к n+ и p+ контактным площадкам, не находятся над рабочей мезой прибора, и паразитная емкость, возникающая между контактным проводом и проводящими слоями рабочей мезы, отсутствует. Однако из-за расположения p+ контактной площадки непосредственно на подложке InP возникает дополнительная емкость, снижающия быстродействие фотодиода. Поскольку один конец контактного мостика лежит на чувствительной площадке, а другой соединен с контактной площадкой на поверхности подложки InP, мостик расположен в разных плоскостях и претерпевает двойной изгиб. Такой изгиб приводит к возникновению механических напряжений и снижению надежности конструкции, что, в свою очередь, требует создания достаточно толстого мостика и кольца большой площади на его конце, соединенном с чувствительной площадкой. Данное кольцо затеняет чувствительную площадку, эффективная площадь фотодиода уменьшается, и обнаружительная способность прибора падает.

Создателям устройства-прототипа удалось минимизировать паразитную емкость, однако собственная емкость InGaAs/InAlAs/lnP фотодиода уменьшена не до предельных значений для данного материала. Так полоса пропускания данного фотодиода в 20 раз меньше известных фотодиодов на основе Ge, работающих в том же спектральном диапазоне 1.55-1.7 мкм [Klinger, M. Berroth, M.Kaschel, M.Oehme, E. Kasper, Photonics Technology Letters, IEEE 21 (13), 920 (2009)].

К достоинствам данного фотодиода можно отнести повышение его эффективности, а именно повышение быстродействия за счет снижения паразитной емкости благодаря мостиковому фронтальному контакту.

Основными недостатками фотодиода-прототипа являются низкая надежность и недостаточная эффективность. Надежность конструкции фотодиода снижается при механических напряжениях, возникающих из-за изгиба мостикового фронтального контакта. Потери в обнаружительной способности происходят за счет значительного затенения чувствительной площадки кольцевой частью мостикового контакта, а в быстродействии - из-за высокой собственной емкости для фотодиода на основе данных материалов и возникновения дополнительной емкости при расположении контактной площадки на подложке.

Задачей, решаемой изобретением, является увеличение эффективности полупроводникового фотодиода для ИК-излучения на основе гетероструктур A3B 5.

Задача решается полупроводниковым фотодиодом для инфракрасного излучения, включающим гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений A3B5 на подложке A3B5 с двумя сформированными мезами, тыльным и фронтальным омическими контактами к гетерострукгуре, тыльный контакт выполнен сплошным и нанесен на подложку, а фронтальный выполнен в виде соединяющего мезы мостика, продольная ось которого сориентирована под углом от 40° до 50° к кристаллическому направлению {110} подложки A3B5, электрически изолированного от одной из мез слоем анодного окисла с нанесенным на этот слой по меньшей мере одним слоем диэлектрика.

Техническим результатом при использовании предлагаемого изобретения является увеличение эффективности фотодиода за счет одновременного увеличения быстродействия и обнаружительной способности прибора.

В таком фотодиоде, как выявили авторы, формирование двух мез позволяет вынести за пределы чувствительной площадки на поверхности одной мезы большую часть фронтального контакта и расположить ее на поверхности (контактной площадке) другой мезы. В отличие от прототипа, имеющего одну мезу и, как следствие, претерпевающий изгиб в двух местах металлический контактный мостик, в предлагаемом фотодиоде контактный мостик располагается в одной плоскости и не требует для увеличения механической прочности контактного кольца большой площади на его конце, соединенном с чувствительной площадкой. Фронтальный контакт в виде мостика не затеняет чувствительной площадки, за счет чего повышается обнаружительная способность D* прибора. Авторами обнаружено, что в отличие от прототипа в фотодиоде с двумя мезами возможно независимо от площади фронтального контакта уменьшать площадь чувствительной площадки. И если в прототипе быстродействие увеличивается незначительно, только за счет уменьшения паразитной емкости при создании мостикового контакта, то в предлагаемом фотодиоде быстродействие возрастает как за счет уменьшения паразитной емкости, так и, более значительно, за счет снижения собственной емкости прибора. Ориентирование мостикового контакта в нужном кристаллическом направлении позволяет получить гладкий (без ступенек) профиль травления гетероструктуры под контактом, что приводит к снижению величины обратных темновых токов фотодиода, следовательно, уровня шумов и, как результат, к увеличению обнаружительной способности.

Быстродействие полупроводникового фотодиода с p-n переходом определяется тремя факторами - временем диффузии созданных ИК-излучением носителей до области пространственного заряда, временем пролета области пространственного заряда носителями и постоянной времени RC. Предлагаемый фотодиод (как и прототип) имеет широкозонное окно, прозрачное для принимаемого излучения в спектральном ИК-диапазоне. Такая конструкция позволяет подавить поверхностную рекомбинацию и обеспечить генерацию носителей в области пространственного заряда, исключив, таким образом, вклад диффузионной составляющей, определяемой временем диффузии носителей до области пространственного заряда. Так как время пролета носителями области пространственного заряда p-n перехода, толщина которой для полупроводников в гетероструктурах на основе A3 B5 равна 2-3 мкм, по оценкам авторов составляет менее 10 пс ( =10-11-10-12 с), определяющим быстродействие фактором является собственная емкость фотодиода. Таким образом, увеличение быстродействия фотодиода может быть достигнуто за счет снижения собственной емкости прибора. В свою очередь, собственная емкость полупроводникового фотодиода определяется концентрацией носителей в активной области и площадью чувствительной площадки. Концентрация носителей в эпитаксиальных слоях A3B 5 может быть снижена до такого низкого уровня, как 10 14-1015 cm-3 при высоком структурном совершенстве слоя и низкой плотности дислокации несоответствия (<104 cm-2) на гетерограницах, что следует отнести к преимуществам фотодиодов на основе гетероструктур A 3B5. Дальнейшее же уменьшение площади чувствительной площадки в фотодиоде-прототипе практически невозможно, т.к. мостиковый фронтальный контакт, располагающийся в разных плоскостях и претерпевающий двойной изгиб, для повышения надежности конструкции соединен с чувствительной площадкой металлическим кольцом большой площади. Уменьшение площади чувствительной площадки при такой конструкции приведет к снижению обнаружительной способности фотодиода из-за значительного затенения чувствительной площадки кольцевой частью фронтального контакта. В предлагаемом фотодиоде в отличие от прототипа сформированы две мезы, что дает возможность независимо уменьшать площадь чувствительной площадки одной из них и увеличивать площадь контактной площадки другой. Чувствительная и контактная площадки мез соединены фронтальным омическим контактом, выполненным в виде металлического мостика, изолированного от подконтактной площадки анодным окислом и нанесенным на него по меньшей мере еще одним слоем диэлектрика. При такой конструкции фотодиода травление слоев гетероструктуры под мостиковым контактом осуществляется одновременно с травлением мез. Глубина травления должна быть достаточной для протравливания слоев под металлическим мостиком и, тем самым, формирования двух мез. Кроме того, травление должно обеспечивать гладкий (без ступенек) профиль травления. В противном случае, каждая из ступенек и неоднородностей будет приводить к возрастанию токов утечки фотодиода, вносящих, как обнаружено авторами, подавляющий вклад в величину обратного темнового тока фотодиодов с малыми диаметрами чувствительной площадки (<300 мкм). Как результат, будет возрастать уровень шумов и падать обнаружительная способность фотодиода. Для решения данной проблемы авторы предлагают ориентировать определенным образом металлический мостик относительно кристаллографических направлений в материале, учитывая различие скоростей травления в различных направлениях. Предлагаемый фотодиод создан на основе полупроводников A 3B5. Для всех соединений A3B 5 скорости растворения зависят от ориентации следующим образом: V{111}B>V{110}>V{100}>>V{111}A. Авторы обнаружили, что если продольная ось контактного мостика сориентирована под углом (40-50)° к кристаллографическому направлению {110}, то, например, мокрое травление позволяет получить гладкий (без ступенек) профиль под контактом. Это приводит к снижению величины обратных темновых токов фотодиода и, следовательно, уровня шумов и, в конечном итоге, к увеличению обнаружительной способности. Данное утверждение справедливо для всех кристаллических полупроводников A3B5.

Чтобы электрически изолировать металлический мостиковый контакт от контактной площадки и, тем самым, контактную площадку от чувствительной, используется диэлектрик. Авторами обнаружено, что использование многослойного диэлектрика, состоящего из анодного окисла и других диэлектрических слоев, одновременно позволяет:

- получить достаточно толстый слой диэлектрика, толщиной не менее 0.3 мкм, обеспечивающий надежную электрическую изоляцию мостикового контакта от материала гетероструктуры A3B5;

- уменьшить высоту ступеньки диэлектрика за счет особенностей процесса анодного окисления.

Известно, что наличие резких ступеней диэлектрика является нежелательным при производстве приборов из-за возникновения трещин при термическом осаждении металла, а также из-за возможного брака при проведении фотолитографических процессов, связанных с неоднородностью нанесения и экспонирования фоторезиста на топологических ступенях. Особенностью же химических свойств рассматриваемых материалов A3B5 определяется необходимость создавать топологический рисунок только методом взрывной фотолитографии, в результате чего априори получается резкий край ступени диэлектрика. Анодный окисел на поверхности гетероструктуры A3B6 формируется вглубь материала. Это позволяет получить общую толщину диэлектрика не менее 0.3 мкм при снижении высоты диэлектрической ступени на 2/3 величины по сравнению с высотой диэлектрической ступени, образующейся при отсутствии анодного окисла.

Изобретение поясняется Фиг.1 и Фиг.2.

На Фиг.1 схематически изображен предложенный полупроводниковый фотодиод для ИК-диапазона спектра, где

1 - подложка;

2 - меза с чувствительной площадкой;

3 - меза с контактной площадкой;

4 - спои диэлектриков;

5 - тыльный омический контакт;

6 - фронтальный омический контакт в виде мостика.

На Фиг.2 схематически изображен вид сверху полупроводникового фотодиода для ИК-диапазона спектра, где

2 - меза с чувствительной площадкой;

3 - меза с контактной площадкой;

6 - фронтальный омический контакт в виде мостика.

Фотодиод работает следующим образом. При попадании фотона ИК излучения на поверхность мезы с чувствительной площадкой 2 он проходит через широкозонное окно и поглощается в области пространственного заряда p-n перехода между широкозонным окном и активной областью. При поглощении фотона образуется электронно-дырочная пара, которая разделяется электрическим полем объемного заряда. Электроны доходят до тыльного омического контакта 5 и дырки - до фронтального омического контакта 6 и образуют фототок во внешней цепи. Фототок, проходя во внешней цепи, образует на нагрузочном сопротивлении напряжение, которое пропорционально фототоку. Это напряжение измеряется во внешней цепи осциллографом либо вольтметром.

Пример 1.

Созданный полупроводниковый фотодиод включал гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений A 3B5 на подложке 1 GaSb, две сформированные на поверхности гетероструктуры мезы 2 и 3, тыльный 5 и фронтальный 6 омические контакты. Гетероструктура на подложке 1 из n-GaSb состояла из активной области (n-Gao0.78In0.22 As0.18Sb0.82) толщиной 1-3 мкм и широкозонного окна (p-Ga0.66Al0.34Sb0.025As 0.975) толщиной 0.5-2.5 мкм. На основе гетероструктуры изготавливался полупроводниковый фотодиод для ИК-излучения с двумя мезами. Поверхность одной мезы 2 являлась чувствительной площадкой, а поверхность другой мезы 3 - контактной. Чувствительная площадка была выполнена в форме круга диаметром 50 мкм, контактная площадка - в форме прямоугольника размерами 50×70 мкм. Тыльный AuTe/Au омический контакт 5 был нанесен на подложку n-GaSb и выполнен сплошным. Фронтальный омический контакт 6 был сформирован к слою p-GaAlAsSb и представлял собой мостик шириной 20 мкм и длиной 85 мкм. Мостик формировался напылением Cr-Au толщиной 2200 Å, и нанесением гальванического Au толщиной 3-6 мкм. Для обеспечения контакта одной стороной мостик заходил на чувствительную площадку 2 на 10 мкм, а другой стороной - на контактную площадку 3, покрытую диэлектриком 4. Со стороны контактной площадки мостик заканчивался прямоугольной частью размером 60×40 мкм. Продольная ось мостика была сориентирована под углом 45° к кристаллическому направлению {110} подложки. Мезы формировались мокрым травлением после нанесения контактов. Мостиковый контакт 6 изолирован от контактной площадки 3 и, следовательно, полупроводникового материала гетероструктуры двухслойным диэлектриком 4 толщиной 0.3 мкм, состоящим из слоя анодного окисла толщиной 0.2 мкм и слоя Si 3N4 толщиной 0.1 мкм.

Длинноволновая граница спектральной чувствительности фотодиода достигала 2.4 мкм при Т=300 К. Коротковолновая граница спектральной чувствительности фотодиода составляла 0.9 мкм. Для снижения концентрации основных носителей в активной области в качестве легирующей примеси использовался теллур. Исследование вольт-емкостных характеристик показало, что распределение примеси в гетероструктуре было резким, а концентрация носителей в активной области составила (0.7-2)1015 cm-3. При нулевом смещении фотодиоды имели собственную емкость 1.0-2.0 пФ. При обратном смещении 3.0 В емкость фотодиода составляла величину 0.5-1.9 пФ. Токовая монохроматическая чувствительность на длине волны =2.1 мкм составила Ri=0.9-1.1 A/W, что соответствует квантовой эффективности 0.6-0.7 без антиотражающего покрытия. Величина обратного темнового тока для лучших образцов фотодиода составила 200-500 нА при обратном напряжении U=-(0.5-3.0) В. Обнаружительная способность фотодиодов, оцененная по формуле (1), в максимуме спектра имеет значение D*=1.2×10 11 W-1×cm×Hz1/2. Быстродействие фотодиода, определяемое по времени нарастания импульса фотоотклика на уровне 0.1-0.9, составило величину 50-100 пс. Полоса пропускания фотодиодов достигает величины 5 HGz.

Данный фотодиод для ИК-излучения имеет высокую эффективность за счет рекордных в данном спектральном диапазоне до 2.4 мкм обнаружительной способности и быстродействия. В отличие от прототипа в данном фотодиоде фронтальный мостиковый контакт незначительно заходит на чувствительную площадку и затеняет менее 1/10 ее площади, что позволяет получить высокое значение обнаружительной способности. В устройстве-прототипе быстродействие было увеличено за счет снижения паразитной емкости, в то время как в предлагаемом фотодиоде быстродействие увеличено за счет снижения как паразитной, так и собственной емкости прибора. В отличие от прототипа наличие двух мез позволяет независимо от площади контактной площадки уменьшать площадь чувствительной площадки, снижая собственную емкость. Кроме того, в прототипе расположение контактной площадки на подложке приводит к возникновению дополнительной емкости. В предлагаемом приборе контактной площадкой является поверхность одной из мез, что позволяет избежать дополнительной емкости.

Сравнение с прототипом возможно провести только по конструкции. Сравнение параметров разработанного фотодиода и прототипа затруднительно, поскольку значения параметров, в том числе спектральный диапазон работы прибора, зависят от выбранного материала. Однако новые конструктивные решения, описанные в формуле изобретения, позволяют для фотодиода на основе любых полупроводниковых соединений A3B5 получить повышение эффективности за счет одновременного увеличения его обнаружительной способности и быстродействия. Также по сравнению прототипом надежность конструкции разработанного фотодиода выше, так как мостиковый фронтальный контакт располагается в одной плоскости и не претерпевает изгибов.

Пример 2.

То же, что и в Примере 1, но продольная ось мостика была сориентирована под углом 40° к кристаллическому направлению {110} подложки. В результате величина обратного темнового тока для лучших образцов фотодиода незначительно увеличилась по сравнению с фотодиодом в Примере 1 и составила 300-600 нА, что привело к незначительному снижению обнаружительной способности фотодиодов до D*=1.0×1011 W-1×cm×Hz1/2 и не оказало влияния на значения остальных параметров фотодиода. Показано, что по сравнению с прототипом фотодиод имеет такие же преимущества, как фотодиод в Примере 1.

Пример 3.

То же, что и в Примере 1, но продольная ось мостика была сориентирована под углом 50° к кристаллическому направлению {110} подложки. В результате величина обратного темнового тока для лучших образцов фотодиода незначительно увеличилась по сравнению с фотодиодом в Примере 1 и составила 300-600 нА, что привело к незначительному снижению обнаружительной способности фотодиодов до D* =1.0×1011 W-1×cm×Hz 1/2 и не оказало влияния на значения остальных параметров фотодиода. Показано, что по сравнению с прототипом фотодиод имеет такие же преимущества, как фотодиод в Примере 1.

Пример 4.

То же, что и в Примере 1, но продольная ось мостика была сориентирована под углом 35° к кристаллическому направлению {110} подложки. За время формирования мез с заданным шаблоном размером протравливания под металлическим фронтальным контактом в виде мостика не произошло, и две сформированные мезы не были изолированы друг от друга. Дальнейшее травление привело к искажению формы боковых стенок мез.

Пример 5.

То же, что и в Примере 1, но продольная ось мостика была сориентирована под углом 55° к кристаллическому направлению {110} подложки. За время формирования мез с заданным шаблоном размером протравливание под металлическим фронтальным контактом в виде мостика было неполным и форма боковых стенок мез в районе мостика была сильно искажена.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Полупроводниковый фотодиод для инфракрасного излучения, включающий гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений А 3B5 на подложке А3В5 с двумя сформированными мезами, тыльным и фронтальным омическими контактами к гетероструктуре, тыльный контакт выполнен сплошным и нанесен на подложку, а фронтальный выполнен в виде соединяющего мезы мостика, продольная ось которого сориентирована под углом от 40° до 50° к кристаллическому направлению {110} подложки А3B5, электрически изолированного от одной из мез слоем анодного окисла и нанесенным на этот слой по меньшей мере одним слоем диэлектрика.

Инфракрасные светодиоды - виды, область применения, характеристики

Инфракрасный (ИК) излучающий диод представляет собой полупроводниковый прибор, рабочий спектр которого расположен в ближней области инфракрасного излучения: от 760 до 1400 нм. В интернете часто встречается термин «ИК светодиод», хотя свет, видимый человеческим глазом, он не излучает. То есть в рамках физической оптики этот термин неверен, в широком же смысле название применимо. Стоит отметить, что во время работы некоторых ИК излучающих диодов можно наблюдать слабое красное свечение, что объясняется размытостью спектральной характеристики на границе с видимым диапазоном.

Не стоит путать ИК светодиоды с лазерными диодами инфракрасного излучения. Принцип действия и технические параметры этих приборов сильно отличаются.

Область применения

На том, какими бывают инфракрасные светодиоды и где применяются, остановимся подробнее. Многие из нас ежедневно сталкиваются с ними, не подозревая об этом. Конечно же, речь идёт о пультах дистанционного управления (ПДУ), одним из важнейших элементов которого является ИК излучающий диод. Благодаря своей надёжности и дешевизне метод передачи управляющего сигнала с помощью инфракрасного излучения получил огромное распространение в быту. Главным образом такие пульты применяются для управления работой телевизоров, кондиционеров, медиа проигрывателей. В момент нажатия кнопки на ПДУ ИК светодиод излучает модулированный (зашифрованный) сигнал, который принимает и затем распознаёт фотодиод, встроенный в корпус бытовой техники. В охранной сфере большой популярностью пользуются видеокамеры с инфракрасной подсветкой. Видеонаблюдение, дополненное ИК подсветкой, позволяет организовать круглосуточный контроль охраняемого объекта, независимо от погодных условий. В данном случае ИК светодиоды могут быть встроены в видеокамеру либо установлены в её рабочей зоне в виде отдельного прибора – инфракрасного прожектора. Применение в прожекторах мощных ИК светодиодов позволяет осуществлять надёжный контроль прилегающей территории.

На этом их сфера применения не ограничивается. Весьма эффективным оказалось применение ИК излучающих диодов в приборах ночного видения (ПНВ), где они выполняют функцию подсветки. С помощью такого прибора человек может различать предметы на достаточно большом расстоянии в тёмное время суток. Устройства ночного видения востребованы в военной сфере, а также для скрытого ночного наблюдения.

Разновидности ИК излучающих диодов

ИК светодиод от OsramАссортимент светодиодов работающих в инфракрасном спектре насчитывает десятки позиций. Каждому отдельному экземпляру присущи определённые особенности. Но в целом, все полупроводниковые диоды ИК диапазона можно разделить по следующим критериям:

  • мощности излучения или максимальному прямому току;
  • назначению;
  • форм-фактору.

Слаботочные ИК светодиоды предназначены для работы на токах не более 50 мА и характеризуются мощностью излучения до 100 мВт. Импортные образцы изготавливаются в овальном корпусе 3 и 5 мм, который в точности повторяет размеры обычного двухвыводного индикаторного светодиода. Цвет линзы – от прозрачного (water clear) до полупрозрачного голубого или жёлтого оттенка. ИК излучающие диоды российского производства до сих пор производят в миниатюрном корпусе: 3Л107А, АЛ118А. Приборы большой мощности выпускают как в DIP корпусе, так и по технологии smd. Например, SFh5715S от Osram в smd корпусе.

Технические характеристики

На электрических схемах ИК излучающие диоды обозначают так же, как и светодиоды, с которыми они имеют много общего. Рассмотрим их основные технические характеристики.

Рабочая длина волны – основной параметр любого светодиода, в том числе инфракрасного. В паспорте на прибор указывается её значение в нм, при котором достигается наибольшая амплитуда излучения.

Так как ИК светодиод не может работать только на одной длине волны, принято указывать ширину спектра излучения, которая свидетельствует об имеющемся отклонении от заявленной длины волны (частоты). Чем уже диапазон излучения, тем больше мощности сконцентрировано на рабочей частоте.

Номинальный прямой ток – постоянный ток, при котором гарантирована заявленная мощность излучения. Он же является максимально допустимым током.

Максимальный импульсный ток – ток, который можно пропускать через прибор с коэффициентом заполнения не более 10%. Его значение может в десять раз превышать постоянный прямой ток.

Прямое напряжение – падение напряжения на приборе в открытом состоянии при протекании номинального тока. Для ИК диодов его значение не превышает 2В и зависит от химического состава кристалла. Например, UПР АЛ118А=1,7В, UПР L-53F3BT=1,2В.

Обратное напряжение – максимальное напряжение обратной полярности, которое может быть приложено к p-n-переходу. Существуют экземпляры с обратным напряжением не более 1В.

ИК излучающие диоды одной серии могут выпускаться с разным углом рассеивания, что отображается в их маркировке. Необходимость в однотипных приборах с узким (15°) и широким (70°) углом распределения потока излучения вызвана их различной сферой применения.

Кроме основных характеристик, существует ряд дополнительных параметров, на которые следует обращать внимание при проектировании схем для работы в импульсном режиме, а также в условиях окружающей среды, отличных от нормальных. Перед проведением паяльных работ следует ознакомиться с рекомендациями производителя о соблюдении температурного режима во время пайки. О допустимых временных и температурных интервалах можно узнать из datasheet на инфракрасный светодиод.

Видеть невидимое. Ближний инфракрасный диапазон (0.9-1.7мкм) / Хабр
На видео может показаться, что вольфрамовым ломом черпают расплавленный светящийся уран, но… но нет. И это не изображение тепловизора — это самый ближний инфракрасный спектральный диапазон. Возможно, вы больше не увидите таких уникальных картинок, которые спрятались под кат, добро пожаловать…

ps: читающие заголовок в мобильной версии анимацию сейчас не видят, поэтому добро пожаловать сразу в статью… ваша чашка со свежезаваренным кофе далее по тексту… =)

Обычные кремниевые детекторы ПЗС и CMOS не могут использоваться для получения изображения в спектральном диапазоне с длиной волны более 1мкм. Кванты с длиной волны 1мкм не могут индуцировать электроны в кремниевых детекторах, квантовая эффективность в ближнем ИК диапазоне быстро спадает до нуля.

Для регистрации ближнего ИК излучения используют уже детекторы на основе арсенид галлия-индия (InGaAs). Ну и несколько лет назад нам попал в руки коммерческий детектор такого типа ближнего ИК диапазона (SWIR, Near-infrared). Разрешение детектора небольшое: 320х256 элементов. Спектральная характеристика детектора представлена на рисунке ниже.

Казалось, ничто не предвещало сложностей, и разработка камеры на данном детекторе не должна была бы отличаться от разработки камеры видимого диапазона, но это оказалось не так. Основной сложностью оказался очень большой темновой ток детектора и очень большой разброс в параметрах отдельных элементов. Посмотрите на график ниже:

За время 16мс потенциальная яма отдельных элементов детектора быстро заполняется на 3-5%, а для частоты 25 кадров в секунду (40мс) это уже 8-12%. Для ёмкости потенциальной ямы элемента детектора 6млн. электрон — это 600 000 электронов темнового тока отдельного элемента, а шум в отдельном пикселе составляет более 800 электрон. Много это или мало? Для регистрации освещенных объектов вполне нормально, но для чувствительной камеры, которая способна регистрировать собственное излучение объектов с температурой до 100'C (как представленное на первом видео) — шум 800 электронов это очень и очень много.
На графике представлено излучение абсолютно черного тела, как видно, для объектов с температурой 300-400K излучение в диапазоне 1-2мкм очень слабое.

Второй особенностью является очень большой разброс характеристик каждого элемента в отдельности. Разработка заняла несколько лет, упор делался на разработку малошумящей аналоговой схемотехники, а также на аппроксимацию характеристик отдельных элементов в зависимости от температуры. Повторюсь, детектор коммерческий, мы не могли охладить детектор и напрямую уменьшить уровень темнового тока возможности не было, но смогли реализовать термостатирование детектора, что значительно сказалось на стабильности характеристик.

Ранее мы в некоторых статьях упоминали данную камеру и приводили сравнение её работы с детекторами видимого диапазона, а также с электронно оптическим преобразователем ЭОП 3+:
«Как видят ночью разные камеры и приборы»
также демонстрировали возможности данной камеры в режиме наблюдения звезд днём:
«Наблюдение звёзд днём или дневная астрономия»

Сейчас же мы хотим дополнить опубликованное ранее и продемонстрировать другие уникальные возможности камеры ближнего ИК диапазона.

Самый распространенный вопрос — «Как камера видит в тумане?». Качественный туман застать довольно непросто, поэтому сразу извиняемся за, возможно, не очень показательное видео. Для того, чтобы продемонстрировать, как видно в реальности глазами, использовалась камера видимого диапазона PanasonicGM1.

само видео наблюдения в тумане SWIR камерой


оригиналы видео доступны по ссылкам
«Видео VS320 исходник»
«Видео PanasonicGM1 оригинал»
На всякий случай предупредим, что туманы очень сильно отличаются друг от друга, бывают туманы, когда ни в одном спектральном диапазоне ничего не видно. Результат сильно зависит от дисперсии частиц воды.

Чувствительность же камеры демонстрирует видео, фрагмент которого представлен в заголовке статьи. Это обычная чашка с вкусным свежезаваренным кофе. В начале видео мы наблюдаем собственное тепловое излучение объектов, а после включения освещения — отраженное. Пока камера VS320 единственная, которая может демонстрировать видео излучения объектов до 100'C. Мы несколько раз показывали это видео на выставках и всегда сталкивались со скепсисом =)


Для примера: цветная камера и глаз видят раскаленный металл с температурой выше 500'С, черно-белая ПЗС-матрица видит жало горячего паяльника с температурой 400'С, SWIR камера VS320 видит предметы начиная с 50-60'С.

Более объективные измерения по модели абсолютно черного тела. Примерно на уровне 50 градусов шум элементов детектора и сигнал модели абсолютно черного тела сравниваются.

оригинал видео можно получить здесь (внимание! большой размер, так как без сжатия)
«Видео VS320 черное тело»

Из некоторых интересных моментов, с которыми мы столкнулись во время работы с камерами,
это особенная защита, которую наносят на банкноты, возможно это люминесцентные маркеры:
Изображения банкнот при обычном освещении не отличается от указанных на сайте Центробанка России, для примера 500р:

но при освещении исключительно видимым спектром (люминесцентной лампой) наблюдаются маркеры, которые находятся у разных банкнот в разных местах и могли бы использоваться для дополнительной автоматической сортировки банкнот:

на сайте ЦБ РФ такая защита не обозначена

В новых купюрах от такой маркировки, видимо, отказались, теперь маркер находится в одном и том же месте, круглый с буквой Р:

и вот все банкноты вместе:

Так же следует отметить, что ночное небо очень яркое в ближнем ИК диапазоне. Это позволяет конкурировать камерам ближнего ИК диапазона с другими приборами ночного видения, а так же для каких-то применений вроде обнаружения объектов на фоне «яркого» ночного неба.


«VS320. Ночное небо в ближнем ИК. исходник (200МБайт)»

А вот днём наоборот, в ближнем ИК диапазоне небо намного темнее (в сравнении с яркостью неба в видимой части спектра), для примера кадр в очень яркий солнечный день.

Эта свойство может использоваться для наблюдения за небесными объектами днём, частный случай которого был описан в статье: «Наблюдение звёзд днём или дневная астрономия».

Наиболее важным свойством камеры ближнего ИК (наравне с возможностью улучшения видимости в тумане) — это значительно лучшая видимость в дымке, для сравнения кадры разных частей спектра:

А вот видео в ближнем ИК диапазоне по вантовому мосту на дальности 9-10км.


а вот демонстрация на дальности в 9км по Смольному (в середине видео включается функция камеры: локальное контрастирование (аналог HDR/DDE) )


Можно ещё довольно много рассказывать про ближний ИК-диапазон, но, к сожалению, это выходит за объём одной статьи. Если получится и будет достаточно материала, мы обязательно продолжим. Подводя итоги можно сказать, что камеры ближнего ИК можно применять:

— для улучшения видимости в тумане
— для улучшения видимости при атмосферной дымке, смоге
— в качестве приборов ночного видения (улучшения видимости ночью)
— поиске объектов на дневном небе
— при разработке мультиспектральных камер, когда важно увидеть значительно теплый
скрытый в видимом диапазоне объект
— для особых применений в промышленности, когда важен именно этот спектральный диапазон
— поиске замаскированных предметов, когда одни краски становятся малоконтрастными, а другие наоборот темнеют в данном диапазоне или люминесцируют.

Хотелось бы сказать спасибо организации НПК «Фотоника», которая предоставила данный детектор для разработки и финансировала работу в течение длительного времени. Результатом работы явилась камера с очень высокими характеристиками по чувствительности. Отдельное спасибо коллегам, которые её разработали, несколько раз переработали, а также построили математическую модель и разработали методику калибровки такого строптивого InGaAs детектора.

Ну и собственно фотография камеры VS320 «в размере»:

Ждем вопросы в комментариях, будем рады ответить.

2 Основы ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных детекторов | Видение фотонов: прогресс и границы видимых и инфракрасных сенсорных матриц

Коротковолновое инфракрасное излучение

Технология детекторов InGaAs

достаточно хорошо развита в результате ее доминирующего использования в волоконно-оптических телекоммуникациях на расстоянии ~ 1,3-1,7 мкм. Изменяя состав, запрещенная зона может быть смещена до 2,6 мкм.

Инфракрасное излучение в среднем, длинном и очень длинном диапазоне

Краткая история инфракрасного обнаружения

Сульфид таллия и сульфид свинца (или галенит) были одними из первых материалов инфракрасного детектора, разработанных в 1930-х годах.Многие другие материалы были исследованы для применения в инфракрасном обнаружении. Детекторы со свинцовой солью являются поликристаллическими и производятся с использованием вакуумного испарения и химического осаждения из раствора с последующей сенсибилизацией после выращивания. 68 Воспроизводимость исторически была плохой, но четко определенной, хотя в конечном итоге были найдены несколько эмпирических рецептов.

Значительное улучшение в производстве детекторов произошло с открытием транзистора, который стимулировал рост и методы очистки материала.Это привело к новым методам производства детекторов из монокристаллов.

Высокопроизводительные детекторы изначально были основаны на использовании германия с введением контролируемых примесей. Разработка высокопроизводительных видимых и NIR-детекторов на основе кремния началась в 1970-х годах после изобретения CCD. Это привело к разработке сложных схем считывания, которые позволяли обнаруживать и считывать данные на одном обычном кремниевом чипе.

В 1950-х годах было проведено обширное исследование полупроводников III-V.В результате небольшой ширины запрещенной зоны (5 мкм при 77 К) InSb показал себя как материал для обнаружения MWIR, и действительно значительно улучшенные матрицы InSb FPA остаются основой охлажденной визуализации MWIR.

Вскоре после этого, в 1959 году, было обнаружено, что HgCdTe (теллурид ртути-кадмия, или МСТ) проявляет полупроводниковые свойства в большей части своего спектрального состава. Ширина запрещенной зоны сплава варьировалась от 0,0 до 1,605 эВ. Позднее в HgCdTe была продемонстрирована длинноволновая фотопроводимость, что привело к разработке инфракрасных детекторов.

В середине 1960-х годов произошел сдвиг в сторону использования сплава PbSnTe из-за проблем производства и хранения, связанных с HgCdTe. Однако ограничения в скорости отклика для детекторов PbSnTe и лучшая пригодность HgCdTe для

,
Высокоскоростное однофотонное обнаружение с помощью лавинных фотодиодов в ближнем инфракрасном диапазоне

1. Введение

Однофотонные детекторы (SPD), которые достаточно чувствительны для регистрации однофотонных щелчков, широко используются в многочисленных областях, имеющих большое значение такие как позитронно-эмиссионная томография, оптическая рефлектометрия во временной области, астрономия и связь в дальнем космосе, а также биологические изображения [1-6]. SPD чрезвычайно важны не только в фундаментальных исследованиях квантовой физики [7, 8], но и в практических методах квантовой обработки информации [9-11].Как одно из наиболее коммерчески успешных приложений квантовой информации, распределение квантовых ключей (QKD), которое позволяет двум удаленным сторонам делиться секретными ключами через телекоммуникацию, быстро прогрессировало с момента его первоначального предложения в 1984 году [12–16]. Для достижения эффективного QKD на больших расстояниях были разработаны системы QKD с тактовой частотой ГГц. В этих схемах высокоскоростные SPD с высокой эффективностью обнаружения и низким уровнем шума на телекоммуникационных длинах волн необходимы для обеспечения работы высокоскоростных QKD [17-18].Более того, что касается другого революционного приложения для квантовой информации, линейные оптические квантовые вычисления (LOQC), которые являются масштабируемой парадигмой для обработки и вычисления квантовой информации, остаются труднодостижимыми [19-20]. Много усилий было сделано во всем мире для достижения этой цели. Основным фактором, который ограничивает продвижение LOQC, являются характеристики оптических компонентов, таких как SPD. Значительные улучшения все еще необходимы с точки зрения их эффективности обнаружения, количества ошибок и способности разрешать числа фотонов.

До настоящего времени было предложено много концепций и методов для реализации высокоэффективного однофотонного обнаружения. Например, однофотонные лавинные фотодиоды (SPAD), SPD на основе преобразования с повышением частоты, счетчики фотонов в видимом свете, сверхпроводящие датчики с переходной кромкой, сверхпроводящие SPD на основе нанопроводов (SNSPD) и SPD на основе квантовых точек и полупроводниковых дефектов различаются. с точки зрения спектрального отклика, квантовой эффективности, темнового счета и постимпульсного шума, отношения сигнал / шум, временного джиттера и способности к разрешению числа фотонов, обеспечивая оптимальный выбор для различных конкретных применений [21-28].Принимая во внимание приложения для высокоскоростной квантовой обработки информации, SPAD, метод преобразования с повышением частоты и SNSPD являются конкурентным выбором [29-31]. Хотя SNSPD обладают характеристикой сверхнизкого шума и временного джиттера, что позволяет использовать систему QKD на сотни километров, требование криогенной системы охлаждения является одним из очевидных недостатков для практического применения. В этой главе мы сосредоточимся на недавней разработке высокоскоростного однофотонного детектирования на основе SPAD InGaAs / InP и повышающего преобразования частоты в ближней инфракрасной области.Поскольку основной принцип преобразования с повышением частоты заключается в переводе фотона ближнего инфракрасного диапазона в видимый режим и последующем обнаружении фотона с помощью кремниевых лавинных фотодиодов, содержание, представленное в следующих разделах, заключено в высокоскоростное однофотонное обнаружение. с лавинными фотодиодами в ближнем инфракрасном диапазоне.

Из-за своей компактной структуры и низкого энергопотребления SPAD InGaAs / InP интенсивно используются в практических приложениях на длинах волн, близких к инфракрасному, особенно в QKD и системах лазерной локации и визуализации [32-34].Лавинный фотодиод (APD) имеет обратное смещение выше напряжения пробоя (которое называется режимом работы Гейгера), и носители, генерируемые однофотонным поглощением, могут запускать обнаруживаемый макроскопический ток после усиления лавины. Чтобы использовать этот прогресс распространения лавины адекватно, лавина должна быть остановлена ​​и APD сброшен с периферийной схемой. Как правило, SPAD InGaAs / InP работают в стробирующем режиме Гейгера, в котором используется стробирующий импульс для определения переключения напряжения смещения APD между перенапряжением и пониженным напряжением.В этом режиме работы количество темных SPAD InGaAs / InP будет эффективно сокращено [35-37]. Однако, поскольку APD является емкостным устройством, пиковый шум, создаваемый зарядными и разряжающими стробирующими импульсами на емкости APD, является неизбежной проблемой. Слабые лавинообразные сигналы, вызванные фотонами, скрыты в пиковом шуме, поэтому ключевой метод повышения производительности SPAD-файлов InGaAs / InP заключается в эффективном выделении лавинных сигналов от пикового шума. Кроме того, с увеличением рабочей частоты повторения эффект постимпульсирования становится все более и более серьезным, что сильно влияет на производительность SPAD InGaAs / InP.Последующие импульсы - это количество ошибок, вызванное освобождением носителей, захваченных дефектами в области умножения во время более раннего лавинного события. Чтобы решить эту проблему, лавинное усиление должно быть соответственно уменьшено, что неизбежно приведет к увеличению сложности извлечения действительных лавинных сигналов.

В последнее время было продемонстрировано, что некоторые хитрые методы, такие как синусоидальное стробирование, самодифференцирование и их комбинация, эффективно подавляют всплески шума при одновременном увеличении частоты повторения стробирования более 1 ГГц [38–42].В синусоидальной схеме стробирования пиковый шум, создаваемый применяемыми синусоидальными затворами, был хорошо подавлен специальными фильтрами для устранения электрических полос, учитывая, что емкостный отклик APD демонстрирует относительно простой частотный спектр. SPAD-файлы InGaAs / InP, в которых использовался этот метод, могли работать на частоте 1,5 ГГц с эффективностью обнаружения 10,8% [38]. Для сравнения, пиковый шум в схеме самодифференцирования был устранен путем сравнения выходного сигнала APD с выходным сигналом, задержанным на один цикл стробирования.Этот тип SPAD был способен работать на частоте 1,25 ГГц с эффективностью обнаружения 10,9% и скоростью счета в темноте 2,34 × 10 -6 на затвор [40]. Кроме того, была предложена методика вычитания гармоник для достижения высокой эффективности детектирования и низкой вероятности повторного импульса для высокоскоростного однофотонного детектирования [43]. При использовании этого метода эффективность обнаружения SPAD InGaAs / InP может достигать ~ 50% с вероятностью последующего импульса ниже 3,5 × 10 -4 на затвор при 1,25 ГГц. Хотя все эти подходы выполнены превосходно, они далеки от совершенства.Есть еще возможности для дальнейшего улучшения в отношении темных отсчетов, максимальной скорости счета и временного дрожания.

С другой стороны, учитывая зрелый кремниевый УЗИП с высокой производительностью, однофотонное обнаружение с повышением частоты преобразований показало большой потенциал для многих применений. Его основной принцип заключается в переводе ближнего инфракрасного фотона в видимый режим, избегая недостатков APD InGaAs / InP [44-46]. Этот процесс нелинейной оптики требует большой нелинейности нелинейных сред и сильного поля накачки для реализации полного квантового преобразования.Как правило, сильная накачка может быть достигнута путем усиления внешней полости или внутрирезонатора или ограничением волновода, что неизбежно вызывает сильный фоновый шум из-за паразитных нелинейных взаимодействий. Синхронизированное однофотонное преобразование с повышением частоты было представлено для снижения шума. Для повышения эффективности преобразования требовалось специальное управление синхронизированными импульсами. В последнее время на основе полностью оптических синхронизированных волоконных лазеров была реализована эффективная система обнаружения преобразования с повышением частоты однофотонной частоты, что обещает ее применение в высокоскоростных ККД.

В этой главе были подробно представлены наши последние разработки и достижения в области высокоскоростного однофотонного обнаружения на основе InGaAs / InP SPAD и однофотонного обнаружения с повышением частоты. В Разделе II мы представляем экспериментальную демонстрацию некоторых инновационных схем для InGaAs / InP SPAD, таких как оптически самодифференцируемая, низкочастотная фильтрация с ультракороткими импульсами и творческое сочетание самодифференциальной и низкочастотной фильтрации , увеличить рабочую частоту повторения стробированного SPAD более 1 ГГц.Между тем были улучшены и другие свойства SPAD, например, эффективность обнаружения, дрожание синхронизации и максимальные значения. Кроме того, в разделе III показана компактная синхронизированная волоконно-лазерная система для высокоэффективного однофотонного преобразования с повышением частоты, обеспечивающая высокую эффективность преобразования при низком уровне фона. Все эти высокопроизводительные однофотонные детекторы предоставляют необходимые средства для высокоскоростных приложений квантовой информации. В разделе IV мы обсуждаем преимущество высокоскоростного однофотонного обнаружения в некоторых приложениях, таких как лазерное определение дальности и визуализация, распределение квантовых ключей и так далее.Наконец, мы завершаем главу в последнем разделе, подчеркивая важность высокоскоростного однофотонного обнаружения для приложений квантовой информации.

2. Однофотонные лавинные фотодиоды

Как уже упоминалось во введении, коэффициент подавления шипового шума, который генерируется емкостным откликом APD на стробирующие импульсы, весьма важен для производительности InGaAs / InP СПАД работал в режиме закрытого Гейгера. В этом разделе мы представляем несколько методов для устранения пикового шума и получения лавинных сигналов, достигая высокоскоростного SPAD с превосходными свойствами.

2.1. Техника балансировки емкости

Поскольку пиковый шум вызван емкостными характеристиками APD, методика балансировки емкости использует конденсатор для имитации отклика APD. Как показано на рис. 1 (а), APD InGaAs / InP был подключен параллельно с дополнительным конденсатором. Выходные сигналы APD и конденсатора были подключены к 0 и π-входам сети magic-T (MTNT) соответственно. MTNT использовался здесь как вычитатель, вычитая два пиковых шума от APD и конденсатора.Перестраиваемый конденсатор был выбран для идеального согласования между APD и дополнительным конденсатором. Затем на выходе схемы только лавинный сигнал был извлечен и получен осциллографом после усиления радиочастотным усилителем.

Рисунок 1.

(a) Схематическая установка балансировки емкости InGaAs / InP SPAD. MTNT: так называемая сеть magic-T, состоящая из широкополосного преобразователя; Amp: усилитель RF; Osc: осциллограф с высокой пропускной способностью. (b) Темновая скорость счета емкости-балансировки InGaAs / InP SPAD как функция эффективности обнаружения при 100 МГц.

В схеме балансировки емкости частота повторения стробирующих импульсов может непрерывно настраиваться в большом масштабе. Кроме того, SPAD InGaAs / InP с балансировкой емкости подходят для приложений, требующих многоканальной синхронизации, таких как распределение квантовых ключей временного кода. Нам просто нужно отрегулировать настраиваемый конденсатор, чтобы обеспечить коэффициенты подавления пикового шума. Последовательность двойных стробирующих импульсов была использована для иллюстрации возможности многоканального обнаружения.Изменяя временной интервал между двойными стробирующими импульсами, мы могли получить, что метод уравновешивания емкости остался применимым при однофотонном детектировании с частотой повторения стробирования не выше 260 МГц [47].

Здесь мы рассмотрели производительность SPAD на частоте 100 МГц. Амплитуда стробирующих импульсов составляла 4 В с длительностью ~ 1 нс, в то время как смещение постоянного тока, приложенное к APD, варьировалось для получения различных эффективностей обнаружения. Рабочая температура InGaAs / InP APD была установлена ​​на уровне -50 ℃.И импульсный лазер с длиной волны 1550 нм на частоте 10 МГц с полной шириной на половине максимума (FWHM) ~ 35 пс был ослаблен, чтобы содержать 0,1 фотона на импульс, прежде чем подключаться к пигтейлу волокна APD в качестве источника фотонов. Импульс лазера синхронно запускался со стробирующим импульсом, а его задержка регулировалась для достижения максимальной эффективности обнаружения для оптимизированной работы. Рисунок 1 (б) показывает темные скорости счета в зависимости от эффективности обнаружения. Скорость счета в темноте увеличивалась с эффективностью обнаружения, и мы могли выяснить, что скорость счета в темноте была приблизительно 4.6 × 10 -6 с КПД 20%, что указывает на то, что этот SPAD работал хорошо на частоте 100 МГц.

В отличие от двойной балансировки APD [48], технология балансировки емкости с использованием конденсатора вместо имитации APD была гораздо более экономичной и практичной. Коэффициент подавления пикового шума составлял ~ 19 дБ, ограничивая рабочую скорость. Мы считаем, что SPAD с балансировкой емкости сможет работать на более высокой скорости с развитием полупроводниковых технологий.

2.2. Самодифференцирующая техника

Самодифференцирующая техника, впервые предложенная Z. L. Yuan et al. показал значительное улучшение скорости обнаружения. Недавно было показано, что SPAD InGaAs / InP, использующий этот метод, замечательно работает с эффективностью обнаружения 25% и скоростью счета в темноте 5,9 × 10 -5 на затвор при 1 ГГц без охлаждения Пельтье [49]. В отличие от традиционных самодифференциальных схем, мы добавили настраиваемый фазовращатель и аттенюатор для лучшего подавления пикового шума, как показано на рис.2 (а). Импульсы стробирования накладывались на обратно смещенный APD InGaAs / InP. Выходной сигнал APD был отправлен на делитель мощности 50/50 (от 3 до 3 ГГц), разделенный на два идентичных компонента. Затем один компонент был задержан на один период стробирования через настраиваемый фазовращатель, и перестраиваемый аттенюатор в другом плече использовался, чтобы гарантировать равные амплитуды.

Рисунок 2.

(a) Экспериментальная установка самодифференциального SPAD InGaAs / InP. PS: перестраиваемый фазовращатель, Attn: перестраиваемый аттенюатор, Amp: РЧ-усилитель.(б) Темновая скорость счета и вероятность последующего импульса как функция эффективности обнаружения при –40 ℃.

После этого два компонента были объединены разностным преобразователем (от 3 до 3 ГГц) перед усилением. Выходной сигнал схемы представлял собой усиленную разницу между двумя разделенными компонентами, смещенную относительно одного периода стробирования. Перестраиваемый фазовращатель и аттенюатор точно контролировали разделение двух компонентов, гарантируя, что лавинный сигнал, извлеченный с помощью шипового шума, значительно подавлен.Кроме того, с помощью настраиваемого фазовращателя рабочую частоту повторения самодифференциального SPAD можно легко регулировать непрерывно. А диапазон регулировки определялся таковым у фазовращателя.

Стробирующие импульсы 200 МГц с амплитудой 5 В и длительностью ~ 1 нс были использованы для характеристики производительности этого SPAD InGaAs / InP. И APD InGaAs / InP был охлажден до -40 ℃. На рисунке 2 (б) отображены скорость счета в темноте и вероятность послеимпульса как функция эффективности обнаружения.Напряжение обратного смещения, приложенное к APD, было изменено, чтобы получить различную эффективность. Лазерный источник был ослаблен и содержал в среднем 0,1 фотона на импульс. Эффективность обнаружения корректировалась для пуассоновской статистики чисел фотонов по формуле

1-e-μ⋅η = RO (1-PE) / RL 〈μ〉 E1

, где η - эффективность обнаружения, R O - это общая скорость счета, R L - частота повторения лазерного импульса, P E - вероятность подсчета ошибок, а μ - средний фотон на импульс.В экспериментальном измерении скорость счета в темноте измерялась при выключенном лазере. Это постепенно увеличивалось с эффективностью обнаружения.

Вероятность последующего импульса, определяемая как отношение общего количества импульсов после импульса к количеству фотонов, может быть рассчитана из

PA = (INI-ID) Iph-INIRE2

, где I Ph и I NI были скоростью счета на ворота у освещенных и неосвещенных ворот соответственно, в то время как I D была темной скоростью счета для каждого входа.R - отношение частоты повторения стробирующего импульса к частоте лазерного импульса. Здесь мы взяли R = 20 для измерения послеимпульса. Вероятность последующего импульса увеличивалась с эффективностью обнаружения и начинала резко увеличиваться, когда эффективность обнаружения достигла 16,7%, что значительно повлияло на производительность SPAD. Когда эффективность обнаружения составляла 10,1%, вероятность последующего импульса составляла всего 2,9%, и соответствующая скорость счета в темноте составляла 9,0 × 10 -6 на затвор.

Рисунок 3.

Напряжение смещения постоянного тока, приложенное к APD, и скорость счета в темноте как функция эффективности обнаружения при трех различных температурах.

Рабочая температура InGaAs / InP APD была жизненно важной для SPAD. Мы Пельтье охладили APD для работы при трех разных температурах и проверили параметры SPAD. На рисунке 3 показано напряжение постоянного тока и скорость счета в темноте в зависимости от напряжения смещения постоянного тока. Эффективность обнаружения увеличивается с ростом напряжения. Между тем, наклоны при трех температурах были почти одинаковыми.Чтобы достичь той же эффективности обнаружения, мы должны подавать более высокое напряжение при более высокой температуре. Поскольку стробирующие импульсы были идентичны, можно было бы выяснить, что напряжение пробоя увеличивается с ростом температуры APD, что оказывает большое влияние на SPAD. Между тем, скорость счета в темноте увеличивалась с эффективностью обнаружения, в то время как она была выше при той же эффективности при более высокой температуре. Однако охлаждение APD до более низких температур потребляет больше энергии. Поэтому мы должны выбрать подходящую температуру для практического применения.

Кроме того, был продемонстрирован SPAD InGaAs / InP с использованием каскада самодифференциальных цепей [50]. Благодаря введению второй самодифференциальной схемы коэффициент подавления был увеличен до ~ 18 дБ, что делает SPAD более подходящим для высокоскоростных приложений. Учитывая двойное расщепление действительного лавинного сигнала, отношение сигнал / шум (ОСШ) было просто улучшено на ~ 10 дБ.

Рисунок 4.

Схематическая установка оптически самобалансирующегося SPAD. AMP: РЧ усилитель; LD: лазерный диод с распределенной обратной связью при 1550 нм; Attn: настраиваемый оптический аттенюатор; и PD1; 2: контактные фотодиоды.

Мы также предложили оптически самобалансирующуюся технику, как показано на рис. 4 [51-53]. Выходной сигнал InGaAs / InP APD был усилен, чтобы запустить лазерный диод при 1550 нм. Затем был использован волоконный усилитель на основе эрбия (EDFA) для усиления преобразованного оптического сигнала. После этого расщепление и относительная задержка сигнала обрабатывались через оптические устройства. Наконец, лавинный сигнал был извлечен и преобразован в электронный сигнал с помощью двухконтактного фотодиода. По сравнению с электронной самодифференциальной техникой в ​​оптическом методе использовались стабильные и точно управляемые оптические сигналы, обеспечивающие устойчивость к электромагнитному полю окружающих цепей.Кроме того, согласование импедансов не было необходимо рассматривать в этой схеме. Было получено подавление пикового шума на 31 дБ, что позволило изучить динамику разрешения числа фотонов лавинного фотодиода InGaAs / InP. Эффективность обнаружения достигла 22,4%, в то время как вероятность постимпульса контролировалась на уровне 2,4% на частоте 25 МГц. Однако преобразование между электронным и оптическим сигналом становилось все более и более сложным с увеличением частоты повторения стробирующих импульсов, накладываемых на APD, что ограничивало его применение в высокоскоростном однофотонном обнаружении.

Основные концепции методов балансировки емкости и самодифференцирования состоят в том, чтобы создавать имитирующий сигнал от пикового шума и получать действительный лавинный сигнал, заставляя два сигнала вычитать друг друга. Производительность SPAD с использованием этих двух методов будет улучшена за счет улучшения сходства двух сигналов. В отличие от этого, методика, представленная в следующем разделе, заключается в устранении пикового шума непосредственно с помощью соответствующих фильтров.

2.3. Техника фильтрации нижних частот

Н.Namekata и соавт. сначала выдвиньте метод синусоидального затвора, используя синусоидальные затворы для контроля напряжения смещения APD InGaAs / InP. Распределение частот емкостного отклика APD на синусоидальных затворах было относительно простым, в основном концентрируясь на частоте повторения затворов и их гармонических частотах. Для устранения пикового шума и получения лавинного сигнала использовались режекторные фильтры. Схема надежно и удобно подавляла всплески шума.Таким образом, эффективность обнаружения SPAD достигла 10,5% с частотой счета в темноте 6,1 × 10 -7 на затвор и вероятностью последующего импульса 3,4% на частоте 2 ГГц [39]. Однако из-за искажения лавинного сигнала, вызванного режекторными фильтрами, временной джиттер этого SPAD достигал 180 пс, что ограничивало его применение в высокоскоростных системах QKD или сверхчувствительном дальном лазере. Чтобы решить эту проблему, мы предложили технологию фильтрации нижних частот, которая поддерживает коэффициент подавления пикового шума при одновременном уменьшении джиттера синхронизации.

Рисунок 5.

Схематическая установка фильтрации нижних частот SPAD с использованием синусоидальных вентилей и ультракоротких стробирующих импульсов. SG: генератор сигналов; BPF: полосовой фильтр; HPF: фильтр верхних частот; LPF: фильтр нижних частот.

На рисунке 5 показана технология фильтрации нижних частот. Перед применением на APD синусоидальные вентили проходили через полосовой фильтр для устранения шума боковой полосы и гармонического шума. Мы использовали синусоидальные волны 1,5 ГГц для проверки производительности фильтрации нижних частот InGaAs / InP SPAD.Выходной сигнал APD был отфильтрован фильтром нижних частот, обрезанным на частоте 1 ГГц с затуханием выше 40 дБ на частоте 1,5 ГГц. Поскольку спектр лавинного сигнала распределен в основном на низкой частоте ниже 1 ГГц, а спектр шипованного шума сконцентрирован на 1,5 ГГц и его гармонических частотах, мы могли получить лавинный сигнал с помощью фильтра нижних частот. Чтобы получить более высокий SNR, мы могли бы использовать еще один фильтр нижних частот.

Рис. 6.

(a) Скорость темнового счета и вероятность послеимпульса SPAD InGaAs / InP с использованием техники фильтрации нижних частот с синусоидальными затворами в зависимости от эффективности обнаружения.(b) Скорость счета, зависящая от задержки лазерного импульса в синусоидальном SPAD. (c) Скорость темнового счета и вероятность послеимпульса SPAD фильтрации нижних частот с ультракороткими затворами в зависимости от эффективности обнаружения. (d) Скорость счета зависит от задержки лазерного импульса в SPAD с ультракороткими воротами.

Рабочая температура APD была установлена ​​на -30 ℃. Лазерный источник был ослаблен, чтобы содержать в среднем один фотон на импульс, чтобы сократить время сбора данных, и синхронно запускался с частотой синусоидальной волны.Амплитуда усиленных синусоидальных стробирующих волн была зафиксирована на уровне 6 В. Рисунок 6 (а) иллюстрировал работу SPAD. Скорость счета в темноте и вероятность последующего импульса увеличивались с эффективностью обнаружения. Хотя эффективность превысила ~ 27%, вероятность последующего импульса резко возросла, что ограничило дальнейшее повышение эффективности обнаружения. При таком подходе эффективность обнаружения достигала 13,0% с частотой темного счета 1,5 × 10 -50012 на затвор и вероятностью последующего импульса 1,1%. При этом эффективность обнаружения сохранялась на уровне 10.0%, мы отрегулировали задержку между лазером и синусоидальным затвором, чтобы получить эффективную ширину стробирования, наложенную на APD, как показано на рис. 6 (б). Было измерено около 200 пс.

В отличие от традиционной синусоидальной техники стробирования, фильтрация нижних частот также подходит для ультракоротких стробирующих импульсов. Мы использовали ультракороткие стробирующие импульсы 1,5 ГГц для характеристики SPAD. Сверхкороткие импульсы были отфильтрованы фильтром верхних частот (HPF), обрезанным на частоте 1 ГГц, подавляющим шум на низких частотах и ​​обеспечивающим конечное SNR SPAD.Характеристики передачи HPF оставались превосходными до 6 ГГц, сохраняя форму ультракоротких импульсов. Работа SPAD была проиллюстрирована на рис. 6 (с). Мы могли бы обнаружить, что вероятность послеимпульса не увеличивалась, очевидно, до тех пор, пока эффективность обнаружения не достигла ~ 35%. При эффективности обнаружения 35% вероятность послеимпульсного SPAD с использованием ультракоротких стробирующих импульсов составляла 9,3% с частотой счета в темноте 6,2 × 10 -5001212 на затвор. Для сравнения, вероятность послеимпульсного SPAD с использованием синусоидальных стробирующих импульсов составила 19.3% с темной скоростью счета 8,3 × 10 –5 на затвор. Из Рис. 6 (d) можно отметить, что FWHM эффективных стробирующих импульсов, приложенных к APD, был 140 пс, меньше, чем на Рис. 6 (b). Поскольку схематическая установка двух SPAD была точно такой же, за исключением стробирующих сигналов, мы можем сделать вывод, что ультракороткие стробирующие импульсы меньшей ширины стробирования улучшили SPAD. Для лучшей производительности мы могли бы дополнительно уменьшить ширину стробирования.

Временной джиттер SPAD с частотой 1,5 ГГц был измерен как 68 пс на установке с коррелированным по времени однофотонным счетом (TCSPC) (PicoQuant GmbH, PicoHarp 300, Германия).Он был значительно улучшен за счет использования техники фильтрации нижних частот, благодаря целостности лавинного сигнала, хорошо сохраняемого с помощью фильтра нижних частот. Эта технология была чрезвычайно пригодна для высокоскоростного однофотонного детектирования, поскольку мы могли выбрать фильтры нижних частот, обрезанные на более высоких частотах, для лучшего сохранения лавинного сигнала. Благодаря такому низкому временному джиттеру и удобной структуре, этот тип высокоскоростного SPAD широко используется в системах лазерной локации с высоким разрешением на ближней инфракрасной длине волны.

2.4. Самодифференциальная технология с фильтром нижних частот

Как уже упоминалось в предыдущем разделе, самодифференциальные и синусоидальные методы стробирования предложили эффективные методы для высокоскоростного однофотонного обнаружения. Для дальнейшего улучшения коэффициента подавления всплесков шума были схемы, объединяющие эти два метода. Тем не менее, SNR не был улучшен так сильно, из-за расщепления лавинного сигнала в самодифференциальной цепи. Здесь мы представили несколько методов комбинирования, чтобы в полной мере воспользоваться обоими методами и получить высокопроизводительную ГГц InGaAs / InP SPAD.

На рисунке 7 (а) показана экспериментальная установка SPAD с использованием техники объединения. Синусоидальная волна, которая выходила из генератора сигналов, была разделена на две части. Одна часть была усилена, чтобы служить стробирующим сигналом, наложенным на APD. Здесь мы устанавливаем частоту повторения синусоидального сигнала равной 1 ГГц, чтобы характеризовать SPAD с помощью этой схемы. Выходной сигнал APD отфильтровывался фильтром нижних частот (LPF1), который отключался на частоте 700 МГц с затуханием выше 40 дБ на частоте 1 ГГц.Затем он был подключен к сумматору мощности в сочетании с другой частью синусоидального сигнала с частотой 1 ГГц. Спектр отфильтрованного пикового шума сконцентрирован на частоте 1 ГГц. Фазовращатель был использован для разности фаз между двумя сигналами на 180 °, а перестраиваемый аттенюатор был использован для обеспечения равных амплитуд. Следовательно, мы могли бы дополнительно устранить пиковый шум и получить лавинный сигнал, улучшив коэффициент подавления пикового шума на 21 дБ. Фильтр нижних частот (LPF2) обрезается на 1.5 ГГц использовались для подавления электронного шума высокой частоты каскадных РЧ-усилителей. Посредством этого SNR SPAD может быть улучшен с поддержанием производительности временного дрожания.

Мы использовали TCSPC с разрешением 4 пс для проверки временного дрожания SPAD. Как показано на рис. 7 (б), была записана временная гистограмма событий обнаружения. Пик счета в освещенном стробирующем импульсе был намного выше, чем у других пиков. Остаточным пикам после максимального пика, который может быть вызван колебанием, можно пренебречь, введя правильное время простоя.Здесь было применено 10 нс мертвого времени. Временной интервал между пиками составлял ~ 1 нс, что соответствует частоте повторения синусоидального затвора 1 ГГц. А временное дрожание лавинного сигнала показало FWHM 60 пс, что было чрезвычайно низким для синусоидально закрытого InGaAs / InP SPAD.

Рис. 7.

(a) Экспериментальная установка SPAD с синусоидальным стробированием с использованием самодифференциальной техники с фильтром нижних частот. SG: генератор сигналов; HP-AMP: мощный усилитель; BPF: полосовой фильтр; Attn: переменный аттенюатор; LPF1, 2: фильтр нижних частот; RF-AMP1, 2: РЧ усилитель.(b) Временная гистограмма событий обнаружения, записанных TCSPC. Врезка: частота обнаружения фотонов как функция потока фотонов.

С 10-нс временем простоя мы могли бы эффективно уменьшить количество ошибок. Тем не менее, это накладывает ограничение на максимальные значения. Мы измерили линейность и максимальную скорость счета SPAD лазером с непрерывной волной при 1550 нм для освещения APD. Как показано на вставке к фиг. 8 (b), скорость счета фотонов линейно возрастала как функция потока фотонов, тогда как скорость счета была ниже 80 МГц.Наконец SPAD был насыщен на 95 МГц. SPAD с таким низким временным джиттером и высокими максимальными значениями предоставил возможности для достижения высокоскоростного QKD.

Рисунок 8.

Схематическая установка SPAD с использованием техники комбинирования с ультракороткими воротами. HPF: фильтр верхних частот; Attn: настраиваемый аттенюатор; PS: фазовращатель; ПК: блок питания; LPF: фильтр нижних частот.

Как уже упоминалось в предыдущем разделе, производительность SPAD с использованием ультракоротких стробирующих импульсов с более короткой длительностью была еще превосходнее.Мы предложили метод комбинирования, более подходящий для ультракоротких затворов, как показано на рис. 8. При рассмотрении распределения пикового шума синусоидальные волны с частотой повторения f и 2f были добавлены объединителем мощности для имитации пикового шума , Дифференциальный сигнал с выхода APD и мнемосхемы был получен, а затем отфильтрован с помощью фильтра нижних частот, частота среза которого могла быть установлена ​​между 2f и 3f. Таким образом, целостность лавинного сигнала может поддерживаться в меру возможностей технологии фильтрации, что дополнительно уменьшает временное дрожание SPAD.Кроме того, здесь использовались настраиваемый аттенюатор и фазовращатель, чтобы гарантировать, что форма сигнала синтетического сигнала максимально приближена к пиковому шуму. Сходство будет усиливаться с увеличением частоты повторения стробирования, что делает схему вполне пригодной для высокоскоростного однофотонного обнаружения.

Техника комбинирования, показанная ранее, использует преимущества техники самодифференцирования и фильтрации нижних частот, обеспечивая высокоскоростное обнаружение одиночного фотона с высоким коэффициентом подавления и малым временным джиттером.С появлением квантовых информационных приложений SPAD, использующий эту технологию, будет применяться все шире и шире.

3. Преобразование с повышением частоты

Преобразование частоты играет довольно важную роль в нелинейной обработке оптического сигнала. Инфракрасное однофотонное преобразование с повышением частоты на основе генерации суммарной частоты было предложено для реализации однофотонного детектирования на инфракрасных длинах волн с помощью существующих высокопроизводительных Si APD. В последнее время метод успешно применяется в различных областях, включая инфракрасную визуализацию, QKD и ультрачувствительную инфракрасную спектроскопию [54-56].Все больший интерес был сфокусирован на предложении новых схем для достижения однофотонного преобразования с повышением частоты с высокой эффективностью и низким уровнем шума.

Нелинейно-оптические среды большой нелинейности и достаточно сильное поле накачки были необходимы для обеспечения полного квантового преобразования. Как правило, периодически нелинейный кристалл ниобата лития (PPLN) использовался в качестве нелинейной среды для нелинейного взаимодействия, учитывая его относительно большой эффективный нелинейный коэффициент и большую длину взаимодействия.Для необходимой сильной накачки были предложены схемы с использованием внешней полости или внутрирезонаторного усиления или волноводного удержания. С такой высокоинтенсивной накачкой преобразование с повышением частоты было выполнено с почти 100% эффективностью преобразования. Однако сильное поле накачки неизбежно приведет к сильному фоновому шуму. Для решения этой проблемы было представлено синхронизированное однофотонное преобразование с повышением частоты. В схеме каждый фотонный сигнал синхронизировался с импульсом накачки, достигая высокой эффективности преобразования с повышением частоты с довольно низким уровнем шума.

Рисунок 9.

Экспериментальная установка синхронного детектирования с повышенным преобразованием однофотонной частоты. EDFL: волоконный лазер, легированный эрбием; YDFL: волоконный лазер, легированный иттербием; YDFA, волоконный усилитель на основе иттербия; FBG: волокнистая брэгговская решетка; Col1, 2, 3: коллиматор; БС: светоделитель; ДМ: дихроичное зеркало; ГП: призма Глана; L1, 2, 3: объектив; PPLN, периодически поляризованный кристалл ниобата лития; БП: оптический полосовой фильтр.

На рисунке 9 показана экспериментальная установка синхронного однофотонного детектирования с повышением частоты.Источники сигнала и накачки были синхронизированы в конфигурации «ведущий-ведомый». Частота повторения синхронизированной системы составляла около 20,3 МГц. Мы оптимизировали спектр и длительность импульса для улучшения системы преобразования с повышением частоты путем управления внутрирезонаторной дисперсией двух лазеров. Узкий спектр должен был соответствовать полосе пропускания кристалла PPLN. И длительность импульса накачки должна быть немного больше, чем у сигнала, чтобы включить все сигнальные фотоны в оболочке накачки, обеспечивая конечную эффективность преобразования.

Рисунок 10.

(a) (b) Спектр и длительность источника сигнала. Длительность импульса измерялась двухфотонным поглощением. (c) (d) Спектр и продолжительность источника накачки. Длительность импульса измерялась по самокорреляции.

На рисунке 10 приведены типичные спектры и длительности сигнала и источника накачки. Источник сигнала был обеспечен Er-легированным NPR-волокнистым лазером с блокировкой (EDFL), выход которого центрировался на 1562,1 нм с полной шириной на половине максимума (FWHM), равной 1.0 нм. Измеренная длительность импульса составляла 1,3 пс при двухфотонном поглощении. Источник накачки генерировался с помощью лазера на Nb-волокне с фиксацией NPR (YDFL), центрированного на 1041,1 с FWHM 0,7 нм. По данным самокорреляции длительность импульса составила 34,3 пс. Наконец, источник сигнала 1562,1 нм был преобразован с повышением частоты посредством генерации суммарной частоты, и преобразованные с повышением частоты фотоны на 624 нм были обнаружены с использованием стандартного однофотонного детектора на основе Si-APD. Эффективность квантового преобразования инфракрасных фотонов составляла до ~ 80% с соответствующим фоновым шумом ~ 300 отсчетов в секунду.По сравнению с фоновым количеством CW-накачки фон был приблизительно на два порядка меньше в схеме синхронно-импульсной накачки. Однако для удовлетворения применений QKD в ГГц метод преобразования с повышением частоты однофотонной частоты требует огромного развития.

4. Применение в распределении квантовых ключей

Распределение квантовых ключей (QKD) в настоящее время демонстрируется как криптографический подход для обеспечения абсолютной безопасности между отправителем (Алиса) и получателем (Бобом) в соответствии с фундаментальными законами квантовой механики. ,Волоконно-оптические системы были реализованы в опытных экспериментах QKD с практической стабильностью в длинных телекоммуникационных волокнах. Расстояние разделения между Алисой и Бобом достигло десятков километров в полевых испытаниях. Тем не менее, несмотря на эти значительные успехи, достигнутые за последние годы, основной проблемой QKD по-прежнему является получение более высоких скоростей передачи на больших расстояниях. Основные факторы, ограничивающие производительность QKD, обусловлены незрелостью однофотонных детекторов на телекоммуникационных длинах волн.Вероятность обнаружения уменьшается на большом расстоянии из-за больших потерь, в то время как, с другой стороны, постоянный уровень шума детектора приводит к слишком высокой частоте появления ошибок выше определенного расстояния, что делает невозможным обмен секретными ключами. Поэтому малошумящие детекторы необходимы для QKD на большие расстояния. Можно было бы выяснить, что при использовании высокоскоростных SPAD, упомянутых в предыдущем разделе, производительность систем QKD будет еще более улучшена.

Среди волоконно-оптических систем QKD наиболее широко применяются методы кодирования поляризации и фазового кодирования [57, 58].На рисунке 11 показана схема установки системы QKD с поляризационным кодированием на основе протокола четырех состояний BB84. Однофотонные сигналы генерируются из ослабленных лазерных импульсов. Каждый лазерный диод может выдавать только одно состояние протокола BB84. Однофотонные сигналы передавались через квантовый канал после затухания и достигали стороны Боба. Когда Боб пытался декодировать информацию о поляризации, он случайно выбрал базу HV или QR-базу для измерения поляризации. Четыре однофотонных детектора (SPD1∼ SPD4) были использованы для обнаружения однофотонных сигналов.Однако в системе QKD с поляризационным кодированием поляризационные состояния должны быть выровнены и сохранены выровненными из-за несовершенства оптического волокна и нарушения окружающей среды. Таким образом, требовалось управление поляризацией в реальном времени, что представляло основную трудность для реализации системы QKD с поляризационным кодированием.

Рисунок 11.

Схематическая установка системы QKD с поляризационным кодированием. ATT: аттенюатор, BS: светоделитель, ПК: контроллер поляризации, PBS: светоделитель, сохраняющий поляризацию, SPD: однофотонный детектор, LD: лазерный диод.

Чтобы исследовать применение высокоскоростных SPD в системах QKD, вместо этого мы использовали синусоидально закрытые SPAD InGaAs / InP с частотой 1,25 ГГц, чтобы исследовать характеристики источника света с частотой 1,25 ГГц при 1550 нм. Лазерный импульс длительностью ~ 20 пс был ослаблен и содержал в среднем 0,01 фотона на импульс. Скорость счета в темноте SPAD с частотой 1,25 ГГц с использованием техники фильтрации нижних частот составляла 8 × 10 –6 на затвор при эффективности обнаружения 10%. Вероятность послеимпульса составляла ~ 3.5% с временем ожидания 10 нс. На рисунке 12 показана скорость счета, записанная SPAD путем изменения задержки между источником света и детектором. Коэффициент ослабления светового импульса составлял до 33 дБ при эффективной ширине затвора ~ 140 пс. Можно отметить, что этот SPAD может эффективно достигать высокоскоростного однофотонного обнаружения с низким числом ошибок, обещая его применения в высокоскоростных системах QKD.

Рисунок 12.

Скорость счета зависит от задержки импульса лазера.

5. Заключение

В этой главе мы в основном представили несколько методов, таких как балансировка емкости, самодифференцирование, фильтрация нижних частот и методы комбинирования, для достижения высокоскоростного однофотонного обнаружения на основе InGaAs / ИнП СПАД. Всплесковый шум, создаваемый емкостным откликом APD, был хорошо изолирован, поддерживая высокую эффективность и уменьшая количество ошибок соответственно на рабочей частоте повторения ГГц. Кроме того, метод преобразования с повышением частоты использовался для реализации инфракрасного детектирования одиночного фотона с высокой эффективностью преобразования и низким фоновым шумом на ~ 20 МГц.Развитие однофотонных детекторов в значительной степени поддержало развитие систем QKD, поскольку до сих пор как скорость генерации ключа, так и расстояние распределения ключа были в основном ограничены производительностью SPD.

Благодарности

Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (грант № 61127014) и Национальным проектом по ключевым научным инструментам (грант № 2012YQ150092), Общий финансовый грант Китайского научного фонда постдокторантуры (грант №2014M560347), и Hujiang Foundation of China (B14002 / D14002).

Фотодиоды Технические характеристики | Engineering360

Engineering360 Logo

Товары и услуги

  • Все
  • Новости & Аналитика
  • Продукты и услуги
  • Библиотека стандартов
  • Справочная библиотека
  • Сообщество

ЗАРЕГИСТРИРОВАТЬСЯ

АВТОРИЗОВАТЬСЯ

Я забыл свой пароль.

У вас нет аккаунта?

Зарегистрируйтесь здесь. Домой Новости & Аналитика Последние новости и аналитика Аэрокосмос и Оборона автомобильный Строительство и Строительство потребитель электроника Энергия и природные ресурсы Окружающая среда, здоровье и безопасность Еда и напитки Естественные науки морской Материалы и химикаты Цепочка поставок .

Что такое инфракрасный? | Живая наука

Инфракрасное излучение (ИК) или инфракрасное излучение - это тип излучающей энергии, который невидим для человеческого глаза, но который мы можем ощущать как тепло. Все объекты во вселенной излучают некоторый уровень инфракрасного излучения, но два наиболее очевидных источника - это солнце и огонь.

ИК - это тип электромагнитного излучения, континуум частот, возникающих, когда атомы поглощают, а затем выделяют энергию. От самой высокой до самой низкой частоты электромагнитное излучение включает гамма-излучение, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны.Вместе эти виды излучения составляют электромагнитный спектр.

Британский астроном Уильям Гершель открыл инфракрасный свет в 1800 году, согласно НАСА. В эксперименте по измерению разницы в температуре между цветами видимого спектра он поместил термометры на пути света в пределах каждого цвета видимого спектра. Он наблюдал повышение температуры от синего до красного, и он обнаружил, что измерение температуры стало еще теплее сразу за красным концом видимого спектра.

Внутри электромагнитного спектра инфракрасные волны возникают на частотах выше, чем у микроволн, и чуть ниже, чем у красного видимого света, отсюда и название «инфракрасный». Волны инфракрасного излучения длиннее, чем у видимого света, согласно Калифорнийскому технологическому институту (Caltech). ИК-частоты колеблются от примерно 300 гигагерц (ГГц) до примерно 400 терагерц (ТГц), а длина волны оценивается в диапазоне от 1000 микрометров (мкм) до 760 нанометров (2,9921 дюйма), хотя эти значения не являются окончательными, согласно НАСА.

Подобно спектру видимого света, который варьируется от фиолетового (самая короткая длина волны видимого света) до красного (самая длинная длина волны), инфракрасное излучение имеет свой собственный диапазон длин волн. Короткие «ближние инфракрасные» волны, которые ближе к видимому свету в электромагнитном спектре, не излучают никакого детектируемого тепла и являются тем, что испускается с пульта дистанционного управления телевизора для смены каналов. По словам НАСА, более длинные «дальние инфракрасные» волны, которые находятся ближе к микроволновой части электромагнитного спектра, могут ощущаться как интенсивное тепло, такое как тепло от солнечного света или огня.

ИК-излучение - это один из трех способов передачи тепла из одного места в другое, два других - конвекция и проводимость. Все с температурой выше около 5 градусов Кельвина (минус 450 градусов по Фаренгейту или минус 268 градусов по Цельсию) испускает ИК-излучение. Солнце испускает половину своей полной энергии в виде инфракрасного излучения, и большая часть видимого света звезды поглощается и переизлучается в виде инфракрасного излучения, согласно университету штата Теннесси.

В домашнем хозяйстве

В бытовых приборах, таких как тепловые лампы и тостеры, для передачи тепла используется ИК-излучение, а также в промышленных нагревателях, таких как те, которые используются для сушки и отверждения материалов.По данным Агентства по охране окружающей среды, лампы накаливания преобразуют только около 10 процентов своей потребляемой электрической энергии в энергию видимого света, а остальные 90 процентов преобразуются в инфракрасное излучение.

Инфракрасные лазеры могут использоваться для связи точка-точка на расстояниях в несколько сотен метров или ярдов. Согласно данным How Stuff Works, пульты дистанционного управления телевизора, в которых используется инфракрасное излучение, излучают импульсы инфракрасной энергии со светодиода (LED) на ИК-приемник в телевизоре.Приемник преобразует световые импульсы в электрические сигналы, которые инструктируют микропроцессор выполнять запрограммированную команду.

Инфракрасное зондирование

Одним из наиболее полезных применений ИК-спектра является зондирование и обнаружение. Все объекты на Земле излучают инфракрасное излучение в виде тепла. Это можно обнаружить с помощью электронных датчиков, например, используемых в очках ночного видения и инфракрасных камерах.

Простым примером такого датчика является болометр, который состоит из телескопа с термочувствительным резистором или термистором, в его фокусе, согласно Калифорнийскому университету, Беркли (UCB).Если теплое тело попадает в поле зрения данного прибора, оно вызывает заметное изменение напряжения на термисторе.

Камеры ночного видения используют более совершенную версию болометра. Эти камеры, как правило, содержат чипы формирования изображений с зарядовой связью (CCD), чувствительные к ИК-излучению. Изображение, сформированное ПЗС, может быть воспроизведено в видимом свете. Эти системы могут быть достаточно малы, чтобы их можно было использовать в ручных устройствах или в носимых очках ночного видения. Камеры также могут быть использованы для прицелов с или без добавления ИК-лазера для прицеливания.

Инфракрасная спектроскопия измеряет ИК излучение материалов на определенных длинах волн. ИК-спектр вещества будет демонстрировать характерные провалы и пики, когда фотоны (частицы света) поглощаются или испускаются электронами в молекулах при переходе электронов между орбитами или уровнями энергии. Эта спектроскопическая информация может затем использоваться для идентификации веществ и мониторинга химических реакций.

По словам Роберта Майановича, профессора физики в Университете штата Миссури, инфракрасная спектроскопия, такая как инфракрасная спектроскопия с Фурье-преобразованием (FTIR), очень полезна для многочисленных научных приложений.К ним относятся изучение молекулярных систем и 2D материалов, таких как графен.

Инфракрасная астрономия

Caltech описывает инфракрасную астрономию как «обнаружение и исследование инфракрасного излучения (тепловой энергии), излучаемого объектами во вселенной». Достижения в системах визуализации ИК ПЗС позволили детально наблюдать за распределением источников ИК в космосе, выявляя сложные структуры в туманностях, галактиках и крупномасштабных структурах Вселенной.

Одним из преимуществ ИК-наблюдения является то, что он может обнаруживать слишком холодные объекты, чтобы излучать видимый свет.Это привело к открытию ранее неизвестных объектов, включая кометы, астероиды и тонкие межзвездные пылевые облака, которые, кажется, распространены по всей галактике.

ИК-астрономия особенно полезна для наблюдения холодных молекул газа и определения химического состава частиц пыли в межзвездной среде, сказал Роберт Паттерсон, профессор астрономии в Университете штата Миссури. Эти наблюдения проводятся с использованием специализированных ПЗС-детекторов, чувствительных к ИК-фотонам.

Еще одно преимущество ИК-излучения заключается в том, что его более длинная волна означает, что он не рассеивает столько же, сколько видимый свет, согласно НАСА. В то время как видимый свет может поглощаться или отражаться частицами газа и пыли, более длинные инфракрасные волны просто проходят вокруг этих небольших препятствий. Благодаря этому свойству ИК можно использовать для наблюдения за объектами, свет которых скрыт газом и пылью. К таким объектам относятся вновь образующиеся звезды, вмонтированные в туманности или центр галактики Земли.

Дополнительные ресурсы:

Эта статья была обновлена ​​в феврале.27, 2019, автором Live Science Трейси Педерсен.

,

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о