Badania układów detekcji promieniowania optycznego w zakresie od skrajnego nadfioletu do dalekiej podczerwieni

fot. 1. Stanowisko do pomiaru charakterystyki niejednorodności powierzchniowej czułości widmowej detektorów EUV

W artykule przedstawiono wyniki prac zrealizowanych w laboratorium detekcji sygnałów optycznych Instytutu Optoelektroniki WAT. Dotyczą one badań, które były realizowane w ramach projektów naukowych, jak również współpracy z innymi zespołami naukowymi. Przedstawiono rezultaty parametryzacji układów detekcji pracujących w różnych zakresach widma promieniowania optycznego z uwzględnieniem ich praktycznego zastosowania.

Rozwój technologii optoelektronicznych, w tym nowych typów detektorów promieniowania optycznego, wymaga odpowiedniej bazy pomiarowej w celu ich charakteryzacji i wsparcia procesu optymalizacji. Trwają intensywne prace nad materiałami do produkcji detektorów np. w paśmie od 1,5 μm do 25 μm. Obserwowany jest rozwój m.in. technologii tworzących supersieci II rodzaju z InAs/GaInSb, które pokrywają zakres od 3 μm do ponad 25 μm [1]. Przewiduje się, że wartość rynku detektorów podczerwieni podwoi się do 2020 r. osiągając poziom 75 mln USD [2].

Znaczące postępy obserwuje się także w technologii tzw. materiałów półprzewodnikowych z szeroką przerwą energetyczną. Do tej grupy należą technologie oparte na węgliku krzemu (SiC). Znajduje ona poparcie wielu dużych firm z obszaru technologii wojskowych, przemysłu elektronicznego i energoelektroniki. Takie same perspektywy dotyczą drugiej grupy materiałów opartej na azotkach. Rynek tej technologii osiągnie wartość około 15,5 mld USD w 2022 r. [2] Wymagania parametryzacji opracowywanych technologii są ściśle zdefiniowane przez potencjalnych ich użytkowników. Odnoszą się one zarówno do struktur detekcyjnych, jak i do gotowych przyrządów. Opracowane w Zespole Detekcji Sygnałów Optycznych IOE czujniki gazów, materiałów wybuchowych, biomarkerów chorób, demonstratory najnowszych systemów łączności laserowej oraz koncepcje urządzeń do monitorowania mocy promieniowania dla systemów broni skierowanej energii określiły wymagane parametry układów detekcji promieniowania optycznego w tego rodzaju aplikacjach [3–5]. Na ich podstawie opracowane zostały unikatowe detektory i układy detekcyjne.

Powyższe prace pokazały jednak, że rozwój technologii detektorów wymaga również zastosowania odpowiednich procedur i aparatury pomiarowej. W badaniach parametrów detektorów stosowano dostępne przyrządy laboratoryjne, jak również i opracowane dedykowane urządzenia (np. wzmacniacze niskoszumowe, zintegrowane układy detekcji fazoczułej). Nowa generacja związków półprzewodnikowych grup III-V (takich jak AlGaN, In-GaAs, GaInSb) i II-VI (np. HgCdTe) oraz technologia ich wytwarzania jednoznacznie określiły kolejne wyzwania. Wymagają one wprowadzenia dodatkowych coraz bardziej precyzyjnych, a zarazem bardziej zaawansowanych technik i narzędzi pomiarowych.

Badania detektorów promieniowania optycznego w zakresie skrajnego nadfioletu i ultrafioletu

Prace badawcze dotyczące zakresu promieniowania skrajnego nadfioletu EUV (ang. Extreme UltraViolet) dotyczyły dwóch kierunków. Pierwszy związany był z bezpośrednimi pomiarami energii promieniowania, natomiast drugi z układami testowania detektorów tego promieniowania. Okazało się, że na świecie istnieje nieliczna grupa specjalizowanych mierników przeznaczonych do pomiaru energii promieniowania EUV (np. FLY-Circuit 2, E-mon). W ramach współpracy z zespołem Pana Prof. H. Fiedorowicza (Zespół Oddziaływania Promieniowania Laserowego z Materią-IOE) został opracowany dedykowany układ do pomiaru natężenia promieniowania EUV [6]. W wyniku przeprowadzonych badań zaproponowano także procedurę wzorcowania tego typu urządzeń, w której zastosowano źródło laserowo-plazmowe z tarczą gazową, oraz zestaw certyfikowanych mierników promieniowania.

W trakcie pomiarów wykorzystano dwa ramiona komory źródła EUV, w których umieszczono badany układ detekcyjny i certyfikowany miernik. Fotografię stanowiska przedstawiono na fot. 1. Procedura ta umożliwiała wyznaczenie czułości badanych układów z dokładnością wynoszącą do 15%. Do głównych źródeł niepewności pomiaru należy zaliczyć: niestabilność energii źródła promieniowania EUV oraz jego niesymetryczny rozkład przestrzenny.

W kolejnym etapie badań, układ pomiarowy został zmodyfikowany poprzez zastosowanie specjalnie zaprojektowanego dzielnika wiązki promieniowania. Umożliwiło to zminimalizować wpływ niestabilności energii promieniowania źródła i osiągnąć dokładność pomiaru na poziomie 2%. Dzielnik wiązki tworzyły dwa zwierciadła kierujące promieniowanie w osie dwóch ramion komory pomiarowej. Zostały one wykonane z warstw Mo/Si. Źródło laserowo-plazmowe umożliwiło także przeprowadzenie testów stanowiska w tzw. „oknie wodnym”, czyli w zakresie promieniowania od 2 nm do 4 nm. W tym wypadku zastosowano zwierciadła wielowarstwowe Cr/Ti. Przeprowadzono testy wstępne układu dla detektorów o znanej charakterystyce widmowej. Otrzymano zbieżne wartości z danymi podawanymi w katalogach. Dalszy rozwój konstrukcji tego stanowiska polegał na jego wyposażeniu w tzw. układ skanowania położenia detektora z zastosowaniem przysłon o ultra-małych średnicach. Testy układu przeprowadzono dla fotodiody krzemowej firmy International Radiation Inc. model AXUV 100. Na rysunku 2 przedstawiono rozkład przestrzenny zarejestrowanego sygnału.

Rys. 2. Charakterystyki niejednorodności powierzchniowej czułości widmowej badanego detektora: widok 3D (a) oraz 2D (b) [7]

W praktyce dobór detektorów odbywa się w oparciu o dane katalogowe producentów. Jednak ich parametry bardzo często zmieniają się w czasie eksploatacji. Najbardziej istotnym czynnikiem jest długoczasowe oddziaływanie temperatury. Dlatego też, wraz z zespołem kierowanym przez Panią Dr Joannę Ćwirko z Instytutu Systemów Elektronicznych (ISE) WAT przeprowadzono testy, które miały na celu określenie wpływu tego czynnika na właściwości komercyjnych detektorów GaN oraz SiC. Do pomiarów charakterystyk czułości widmowej zastosowano dwa monochromatory (Cornestone 260 type-Oriel 74100 oraz M250/1800/UV -Optel). Analiza zmian czułości badanych detektorów odbywała się poprzez pomiar ich fotoprądu i porównanie z sygnałem uzyskanym z detektora odniesienia (Thorlabs, model S120VC). Widok stanowiska przedstawiono na rys. 3 [8].

Rys. 3. Widok stanowiska do badań charakterystyk widmowych detektorów w ISE WAT

Pomiary wykonywano przy oświetleniu lampą ksenonową. W układzie pomiarowym zastosowano dedykowany uchwyt do podgrzewania detektorów ze sterownikiem temperatury. Umożliwiał on osiągnięcie temperatury 450ºC. Na rysunku 4 przedstawiono wybrane charakterystyki czułości widmowej dwóch badanych fotodetektorów. Dla detektora GaN zaobserwowano znaczący wpływ temperatury na kształt tych charakterystyk, zwłaszcza dla temperatury powyżej 110ºC. Tak znaczącego wpływu temperatury nie zanotowano dla detektorów SiC. Zaobserwowano jedynie nieznaczne przesunięcie maksimum czułości w kierunku fal dłuższych. 

Rys. 4. Charakterystyki czułości widmowej detektorów GaN oraz SiC dla różnych temperatur pracy

Przeprowadzono również pomiary długoczasowe. Okazało się, że wygrzewanie detektora GaN w temperaturze 80°C, 150°C, oraz 200°C może znacznie zwiększyć jego czułość (rys. 5).

Rys. 5. Zmiana czułości prądowej detektora GaN oraz SiC w zależności od czasu trwania dla różnych temperatur [8]

Wyniki badań fotodetektora SiC pokazały, że jego długoczasowe wygrzewanie nie wpływa znacząco na czułość widmową dla temperatur poniżej 110°C. Jednak dla większych temperatur (200°C) nastąpiło zmniejszenie czułości prądowej.

Przez cały czas prowadzone były również przygotowania do badań gęstości widmowej mocy szumów detektorów. Z uwagi na bardzo mały poziom szumu, nie był możliwy jego pomiar przy użyciu standardowych przyrządów. Zaistniała zatem konieczność opracowania specjalistycznego stanowiska pomiarowego. Jednym z elementów tego stanowiska był zaprojektowany zestaw niskoszumowych przedwzmacniaczy sygnału dedykowanych do współpracy z detektorami o dużej i małej rezystancji, zapewniających poziom szumu odpowiednio poniżej 0,56 fA/√Hz oraz 0,56 nV/√Hz [9]. Stanowisko to zostało następnie zastosowane do pomiarów prądu szumów detektorów AlGaN. W celu zwiększenia dokładności pomiarów, w stopniu końcowym stanowiska pomiarowego, zastosowano nanowoltomierz fazoczuły Lock-In SR-830. Wyniki pomiarów prądu szumów tych fotodetektorów, dla częstotliwości 1 kHz, oraz wcześniej wyznaczonej ich czułości, umożliwiły wyznaczenie widmowej charakterystyki wykrywalności znormalizowanej (rys. 6).

Rys. 6. Charakterystyka wykrywalności dla różnych detektorów AlGaN

Badania detektorów promieniowania optycznego w zakresie promieniowania podczerwonego

Kolejne prace obejmowały badania układów detekcji z zakresu promieniowania podczerwonego. Należało je przeprowadzić w związku z podjęciem badań dotyczących systemów laserowej spektroskopii absorpcyjnej (ang. Laser Absorption Spectroscopy – LAS) oraz laserowej łączności w otwartej przestrzeni (ang. Free Space Optics – FSO). Prace te były realizowane w ścisłej współpracy z firmą VIGO System S.A., która projektowała dedykowane układy detekcyjne dla ww. aplikacji. Dzięki pozyskanym środkom na realizację tych badań, jak również projektowi dotyczącemu rozbudowy bazy laboratoryjnej Instytutu Optoelektroniki WAT (OPTOALB-WND-POIG.02.01.00-14-095/09) wyposażenie laboratoryjne zespołu zostało wzbogacone. Baza laboratoryjna Zespołu Detekcji Sygnałów Optycznych (ZDSO) została poszerzona m.in. o przestrajalne źródło laserowe typu OPO-DFG firmy Ekspla, układ spektrometru siatkowego model iHR320 firmy HORIBA, czy spektrometr FTIR iS50 firmy Thermo Fisher Scientific. Ponadto laboratorium ZDSO jest wyposażone w zestaw niskoszumowych wzmacniaczy napięciowych i prądowych firmy Stanford Research, Femto, zestaw analizatorów sygnałów i wzmacniaczy fazoczułych firmy Stanford Research i Tektronix oraz w precyzyjne źródła prądowo-napięciowe i multimetry firmy Keithely. Na bazie tego wyposażenia opracowano procedury pomiarowe oraz stanowiska do badań takich parametrów jak: względne charakterystyki czułości widmowej, charakterystyki gęstości mocy szumów, czy szybkości odpowiedzi detektorów. Zakres tych badań wiązał się ściśle z kierunkami prowadzonych prac badawczo-rozwojowych. Fotografie tych stanowisk przedstawiono na rys. 7.

Rys. 7. Widok stanowiska pomiarowego do badań charakterystyk czułości widmowej detektorów lub modułów detekcyjnych (a) oraz gęstości widmowej napięcia szumów (b)

Układy detekcji promieniowania w absorpcyjnej spektroskopii laserowej

Prace w zakresie laserowej spektroskopii absorpcyjnej dotyczyły głównie zastosowania jednej z najczulszych metod (spektroskopii strat we wnęce optycznej – SWWO) na potrzeby wykrywania zanieczyszczeń powietrza, śladowych ilości par materiałów wybuchowych oraz biomarkerów chorobowych znajdujących się w oddechu człowieka. W metodzie tej zasadniczym aspektem jest dopasowanie charakterystyki czułości widmowej modułu detekcyjnego do widma absorpcji badanego gazu. Dlatego też główny cel badań układów detekcyjnych związany był z wyznaczeniem ich charakterystyk czułości widmowej.

Na rysunku 8a przedstawiono wyniki pomiarów charakterystyki czułości prądowej modułu detekcyjnego firmy VIGO System S.A. przy zastosowaniu spektrometru FTIR. Moduł ten został optymalizowany pod kątem uzyskania maksymalnej czułości w okolicy 4,5 μm (widmo absorpcji gazu N2O). Jak już wspomniano, istotnym zagadnieniem w badaniach układów detekcyjnych jest określenie ich parametrów szumowych, które zasadniczo determinowały limit detekcji wykrywanych stężeń substancji dla opracowanego systemu SWWO. Na rysunku 8b przedstawiono widok opracowanego stanowiska, wraz z przykładową charakterystyką szumową dwóch układów detekcyjnych przeznaczonych do tego systemu.

Rys. 8. Przykładowe wyniki pomiarów charakterystyk czułości widmowej (a) oraz gęstości napięcia szumów (b) układów detekcji dla systemu SWWO

Układy detekcji promieniowania w laserowej łączności otwartej przestrzeni

Laserowa łączność w otwartej przestrzeni jest której rozwój jest uzależniony od parametrów nowych źródeł laserowych oraz detektorów. Mają one zasadniczy wpływ na najważniejsze parametry użytkowe systemów transmisji danych, takie jak zasięg oraz szybkość. W przypadku stosowanych układów detekcyjnych parametry te zasadniczo zależą od charakterystyki czułości widmowej, poziomu szumów własnych, jak również pasma przenoszenia. W ramach wspólnych prac prowadzonych z ekspertami z firmy VIGO System S.A. opracowano dwa demonstratory łączy laserowych pracujących w zakresie długości fal (8-12) μm, umożliwiających osiągniecie przepustowości 115 kb/s (2008) oraz 2 Mb/s (2011). W trakcie prac przeprowadzono testy dedykowanych układów detekcyjnych. Zapewniały one możliwość pracy fotodiody z polaryzacją i bez, oraz z chłodzeniem za pomocą czterostopniowych chłodziarek termoelektrycznych. Na rysunku 9 przedstawiono wyniki pomiarów głównych parametrów modułu detekcyjnego dedykowanego do łącza FSO.

Rys. 9. Wyniki pomiarów głównych parametrów modułu detekcyjnego na potrzeby łącza FSO : rozkład gęstości widmowej napięcia szumów (a) oraz odpowiedź na wymuszenie impulsem prostokątnym (b)

Podsumowanie

W pracy przedstawiono zakres badań układów detekcji sygnałów optycznych w aspekcie ich praktycznego zastosowania. Dotyczyły one m.in. wyznaczenia charakterystyk czułości widmowej, szybkości działania, poziomu szumów, jak również niejednorodności czułości powierzchniowej.

Aby można było przeprowadzić ww. badania, konieczne było opracowanie nie tylko dedykowanych procedur pomiarowych, ale również skonstruowanie specjalistycznych stanowisk laboratoryjnych. Należy jednak pamiętać, że istnieją czynniki, które determinują konieczność ciągłego rozwijania diagnostyki układów detekcji promieniowania optycznego. Czynniki te wiążą się z zastosowaniem tych układów w unikalnych aplikacjach, jak również z dynamicznym rozwojem technologii detektorów. W działaniach tych ważna jest współpraca między zespołami naukowymi opracowującymi te technologie, a potencjalnymi konstruktorami gotowych urządzeń. W pracy zaprezentowano jedynie znikomą część wyników badań, która potwierdza efektywność takiego działania.

Literatura

[1] Gawron Waldemar, Rogalski Antoni, 2009, „Detektory podczerwieni z supersieci II rodzaju układu InAs/GaInSb”, Biuletyn WAT, vol. LVIII, NR4, 8–16.

[2] NARODOWE CENTRUM BADAŃ I ROZWOJU, 2016. Strategiczny program badań naukowych i prac rozwojowych „Nowoczesne technologie materiałowe”, TECHMATSTRATEG.

[3] Bielecki Zbigniew, Janucki Jacek, et al., 2012, “Sensors and systems for the detection of explosive devices – an overview”, Metrol. Meas. Syst., Vol. XIX, No. 1, 3–28.

[4] Stacewicz Tadeusz, Wojtas Jacek, et al., 2011, „Cavity ring down spectroscopy: detection of trace amounts of substance”, Opto-Electronics Review. Volume 20, Issue 1, 53–60.

[5] Gutowska Magdalena, Nowakowski Mirosław, et al., 2010, “Investigation of Free Space Optical Detection Module Operating at the Wavelength Range of 8–12 μm”, Acta Physica Polonica A no. 6, Vol. 118, 1143–1147.

[6] Bielecki Zbigniew, Mikołajczyk Janusz, 2007, “Energy meter system for gas-puff laser plasma”, Optica Applicata, Vol. XXXVII, No. 1–2, 83–92.

[7] Mikołajczyk Janusz, Rakowski Rafał, Rutecka Beata, 2010, „Koncepcja stanowiska do badań rozkładu przestrzennego czułości widmowej detektorów”, Elektronika: konstrukcje, technologie, zastosowania, Vol. 51, nr 1, 29–32.

[8] Ćwirko Joanna, Ćwirko Robert, Mikołajczyk Janusz, 2015, “Comparative tests of temperature effects on the performance of GaN and SiC photodiodes”, Metrol. Meas. Syst., Vol. XXII, No. 1, 19–126.

[9] Bielecki Zbigniew, Kołosowski Władysław, Sedek Edward, 2004, “High Sensitivity Photoreceiver Design”, FACTA UNI VERSI TATI S (NIS), SER.: ELEC. ENERG. vol. 17, 121–131.