Д Н Татьянко - Фотодетекторы для прецизионного измерения мощности излучения светодиодов - страница 1

Страницы:
1 

 

Рассмотрены проблемы прецизионных измерений мощности излучения светодиодов, связанные с нелинейностью спектральной чувствительности фотодиодов. В качестве решения проблемы, предложено использова­ние трап детекторов. Описана новая модель

трап детектора.

УДК 681.7.069 Д.Н. Татьянко

Институт радиофизики и элек­троники им. А.Я. Усикова НАН Украины

 

ФОТОДЕТЕКТОРЫ ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ СВЕТОДИОДОВ

 

Введение

Широкое применение светодиодов в науке и технике требует современного мет­рологического обеспечения данного вида источников оптического излучения. Одним из примеров применения светодиодов являются средства измерительной техники (СИТ) для работы на волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Многие ведущие произво­дители СИТ для ВОЛС используют в оптических тестерах и источниках оптического излучения наряду с лазерными источниками и светодиоды, излучающие в инфракрас­ном диапазоне спектра. Примерами могут служить прецизионные оптические тестеры моделей FOT-300-12D, FOT-600-12D и FOT-930-12D (компании EXFO, Канада), опти­ческие тестеры моделей FOD1203A/B (КБ волоконно-оптических приборов, Россия) и другие.

Отличительной особенностью светодиодов от лазерных источников излучения, в частности, от полупроводниковых лазеров, является большая спектральная ширина из­лучения светодиодов. Например, ширина спектра светодиодов, используемых в оптиче­ских тестерах FOT-930-12D равна 135 нм (на уровне -3 дБ, на центральной длине вол­ны излучения 1300 нм), тогда, как ширина спектра полупроводниковых лазеров состав­ляет единицы нанометров. Большой диапазон спектра излучения поднимает проблему детектирования мощности излучения светодиодов.

Наибольшее распространение среди детекторов оптического излучения получи­ли фотодиоды. Но недостатком фотодиодов является нелинейность (в общем случае) их спектральной чувствительности.

В пределах спектра излучения полупроводникового лазера, составляющего еди­ницы нанометров, спектральная чувствительность фотодиода практически не изменяет­ся. Но в пределах ширины спектра светодиодов изменение чувствительности фотодио­да заметно меняется (1 - 5 дБм [1]). Причем, это изменение носит нелинейный характер. Таким образом, различные составляющие спектра светодиода детектируются с разной чувствительностью. Это затрудняет прецизионные измерения мощности излучения све­тодиодов. Для решения этой проблемы необходим спектрально "предсказуемый" де­тектор с хорошей линейностью спектральной характеристики.

Чувствительность фотодиода S характеризует фототок, генерируемый на едини­цу оптической мощности:

S = L =hne1, (1) P hc

где P - мощность оптического излучения, падающая на поверхность фотодиода; I - измеряемый ток фотодиода; h - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме; e ­постоянная элементарного заряда; n - индекс преломления воздуха, X - длина волны излучения, падающего на фотодиод; п - внешняя квантовая эффективность, то есть ко­личество фотоэлектронов, которые внесли вклад в измеряемый ток, деленное на коли­чество фотонов, падающих на поверхность фотодиода [2].

Внешнюю квантовую эффективность можно описать следующим выражением:

h = h(1 - pW) = (1 - р(Ш(1 - e~а(Я)а), (2)

где hi - внутренняя квантовая эффективность фотодиода, которая определяется как ко­личество фотоэлектронов, которые внесли вклад в измеряемый ток, деленное на коли­чество поглощенных фотонов [2]; Z - часть пар электрон-дырок, которая берет участие в фототоке (в относительных единицах); а(А) - зависящий от длины волны коэффициент поглощения; о - толщина слоя фотодиода, на которой поглощается оптическая мощ­ность; р()) - зависящий от длины волны коэффициент отражения от поверхности фо­тодиода.

В выражении (2) для внешней квантовой эффективности присутствуют две не­линейные составляющие, зависящие от длины волны оптического излучения - это ко­эффициент отражения от поверхности фотодиода р()) и коэффициент поглощения фо­точувствительного слоя фотодиода a(X). Максимальную линейность спектральной чув­ствительности можно получить, минимизировав влияние этих двух составляющих. Спектральная чувствительность, в этом случае, будет только линейно зависеть от дли­ны волны излучения.

Коэффициент поглощения фотодиода a(X) зависит от материала фоточувстви­тельного слоя. Таким образом, для детектирования оптического излучения, в частности излучения светодиода, необходимо выбирать фотодиод с наилучшей линейностью ко­эффициента поглощения фоточувствительного слоя в заданном спектральном диапазо­не.

Следующей возможностью минимизировать влияние нелинейной составляющей спектральной чувствительности фотодиодов, является уменьшение коэффициента от­ражения p() ). Отдельный фотодиод может иметь потери за счет отражения от поверх­ности до 50 %, в зависимости от длины волны детектируемого оптического излучения

[3].

С целью снижения коэффициента отражения предлагается использовать так на­зываемый «трап детектор».

Трап детекторы оптического излучения

Впервые трап детектор был предложен и описан Залевским и Дудой в 1983 году [4]. Он состоял из четырех расположенных последовательно фотодиодов (рисунок 1а). При этом луч, отражаясь от каждого фотодиода, попадает на последующий фотодиод и, отразившись от последнего в цепочке фотодиода, направляется на предыдущий фото­диод, таким образом, возвращаясь в систему фотодиодов. Токи от всех фотодиодов суммируются. На рисунке 1 б показана более экономичная, хотя и менее эффективная модель, состоящая из трех фотодиодов.

За счет многократного попадания луча на фоточувствительные поверхности фо­тодиодов внутри трап детектора внешняя квантовая эффективность трап детектора дос­тигает 99,9 % и выше, то есть практически все оптическое излучение поглощается, сле­довательно, уменьшаются потери, связанные с отражением излучения в детекторе. На рисунке 2 представлены результаты исследования спектральной чувствительности InGaAs фотодиода и трап детектора на базе таких фотодиодов, проведенные в институ­те Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB, Германия) [3].


Уменьшение потерь вызванных отражением излучения, значительно улучшает линейность спектральной чувствительности трап детектора по сравнению с одиночны­ми фотодиодами. Благодаря этому упрощается измерение мощности излучения свето-диодов. Нет необходимости знать значение чувствительности каждой спектральной со­ставляющей фотодиода внутри спектра излучения светодиода, а достаточно знать толь­ко линейную зависимость спектральной чувствительности, которую можно определить по измерениям в двух точках спектра и в результате найти калибровочный коэффици­ент для измерений.

Недостатком известных моделей трап детекторов является то, что все же не вся энергия оптического излучения преобразуется в электрическую. Небольшая ее часть возвращается обратно в оптическую систему, что уменьшает квантовую эффективность этих детекторов. Снижение данного недостатка путем увеличения числа фотодиодов, например до четырех или шести, и тем самым увеличения числа переотражений луча от поверхностей фотодиодов, часто экономически нецелесообразно из-за высокой стоимо­сти фотодиодов. В связи с этим актуальной является задача усовершенствования кон­фигурации трап детекторов.

Новая модель трап детектора

Для уменьшения потерь, связанных с отражением излучения в фотодетекторах, рассмотренных выше, предлагается новая модель трап детектора [5], представленная на рисунке 3, которая обладает большим количеством переотражений луча в структуре детектора. Ближайший существующий аналог новой модели представлен на рисунке

1б.


В предлагаемой, новой конфигурации трап детектора, построенной на трех фо­тодиодах, луч 4 падает на фотодиод 1 и далее отражается на фотодиоды 2 и 3. Фотоди­од 3 отражает луч не обратно на фотодиод 2, как в известных конфигурациях трап де­текторов, а переотражает луч на фотодиод 1. Луч, при этом, падает на фотодиод 1 по нормали и затем возвращается обратно в систему фотодиодов, переотражаясь от фото­диода 1 на фотодиод 3 и далее на фотодиоды 2 и 1.

В известных схемах из трех фотодиодов луч переотражается 5 раз, а в предла­гаемой схеме - 7 раз. Таким образом, в классической схеме происходит 2N-1 переотра­жение [6], а в предлагаемой схеме 2N+1 переотражение, где N - количество фотодио­дов в трап детекторе.

Результаты компьютерного моделирования показали, что для трап детекторов с фотодиодами на основе кремния (Si) и индий-арсенид-галия (InGaAs) отношение тока трап детектора к максимально-возможному току (при коэффициенте отражения фото­диодов равном нулю) у новой модели, при прочих равных условиях, на 0,26 % больше, чем у существующей модели, а в случае использования германиевых (Ge) фотодиодов - больше на 0,52 %.

При этом значение мощности оптического излучения, которая не была поглоще­на в детекторе и возвратилась в оптическую систему, у новой модели трап детектора, на порядок меньше, чем у известных аналогов. Это уменьшает отрицательное влияние остаточного излучения на работу оптической системы.

 

Выводы

Таким образом, использование трап детекторов обеспечивает лучшую линей­ность спектральной чувствительности датчика в диапазоне спектра излучения свето-диода по сравнению с единичными фотодиодами.

Предложена новая модель трап детектора, преимуществом которой является большее количество переотражений луча внутри детектора. В результате этого, большая часть оптической мощности поглощается фотодиодами, т.е. минимизируются потери, вызванные отражением излучения в детекторе.

Благодаря вышесказанному увеличивается точность и улучшается линейность фотодетектора, что позволяет использовать трап детекторы для прецизионных измере­ний мощности не только лазерного излучения, но и излучения светодиодов.

 

Литература

1.      Yu.P. Machekhin, D.N. Tatyanko, S.I. Zub. Taking into account of spectral characteristics of semiconductor photodiodes when measuring optical power in fiber-optic communication lines. 7th International Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling. LFNM'2006, С. 338-340

2.      Alejandro Ferrero, Joaquin Campos, Alicia Pons, and Antonio Corrons. New model for the internal quantum efficiency of photodiodes based on photocurrent analysis. // Applied Optics, Vol. 44, No. 2, 10 January

2005. p. 208-216

3.      K. D. Stock and R. Heine. Spectral characterization of InGaAs trap detectors and photodiodes used as trans­fer standards. // Metrologia, 2000, 37, p. 449-452

4.      Edward F. Zalewski and C. Richard Duda. Silicon photodiode device with 100 % external quantum efficien­cy. // 15 September 1983, Vol. 22, No. 18, Applied Optics, p. 2867-2873

5.      Д.Н. Татьянко. Трап детектор для измерения мощности лазерного излучения. / Сборник научных трудов 1 -й Международной конференции «Электронная компонентная база. Состояние и перспекти­вы развития», Том 3, Харьков-Судак 2008, С. 293-295

6.      J. M. Palmer. Alternative Configurations for Trap Detectors. // Metrologia 1993, 30, p. 327-333

 

 

ФОТОДЕКТОРИ ДЛЯ ПРЕЦИЗІЙНОГО ВИМІРЮВАННЯ ПОТУЖНОСТІ ВИПРОМІНЮВАННЯ СВІТЛОДІОДІВ Д. Н. Татьянко

Розглянуті проблеми прецизійних вимірювань потужності випромінювання сві-тлодіодів, пов 'язані з нелінійністю спектральної чутливості фотодіодів. В якості рі­шення проблеми запропоновано використання трап детекторів. Описана нова модель трап детектора.

 

 

PHOTODETECTORS FOR PRECISION MEASUREMENT OF CAPACITY OF

RADIATION OF LIGHT-EMITTING DIODES

D.N. Tatjanko

Problems of precision measurements of light-emitting diodes' radiation power, con­nected with nonlinearity of photodiodes' spectral sensitivity are considered. Using of trap de­tectors is offered as a decision of the problem. New model of the trap detector is described.

Страницы:
1 


Похожие статьи

Д Н Татьянко - Фотодетекторы для прецизионного измерения мощности излучения светодиодов