בדיודות APD (דיודות אור מסוג Avalanche), נושאי המטען מואצים בשדה חשמלי ויוצרים זוגות נוספים של אלקטרונים וחורים, כתוצאה מיינון שנוצר בהתנגשויות. באופן כזה גם פוטון בודד
יכול לעורר זרם משמעותי הנובע מפגיעת האור, שאותו אנו רוצים לגלות. לכן, לדיודות אור מסוג Avalanche יש יתרון על פני דיודות PIN רגילות בכל הקשור ליישומים הקשורים באבחון של כמויות אור מזעריות.
מאת: וינפריד ריב – דראגאן גרוביסיק
השימוש בדיודות אור מסוג Avalanche (APD) מציג את השיטה היעילה ביותר להגדלת הרגישות. אפשר להגדיל ההגבר הפנימי של דיודות APD עד אשר יחס אות לרעש (SNR) יהיה מוגבל על ידי רעש ה”ירי” החשמלי (shot noise). עם זאת, היכולת של מערכת הגלאי כולה תלויה בעיקר במעגל החשמלי.
הגברת אותות
דיודות APD נדרשות רק אם רעש המקלט כולו מוגבל על ידי רעש המגבר – כלומר, רכיב הרעש של המגבר גדול יותר מהרעש של הגלאי. ועם זאת, מצב זה מתרחש רק במהירויות גבוהות. במקרה זה, הגברה מעבירת עכבה (transimpedance) מוגבלת על ידי קבוע הזמן RC. השימוש בדיודת APD עם הגבר פנימי משפר את יחס האות לרעש של מגבר APD באופן יחסי בהשוואה למודול שמורכב מגלאי PIN עם מגבר. ההגברה האופטימלית ויחס SNR של המקלט יהיו גבוהים יותר ככל שהרעש העודף יהיה נמוך יותר. ברוחבי פס גבוהים, רעש מסוים זה שנגרם על ידי ההגברה הוא מקור הרעש השליט. לכן חשוב לשמור את הקיבול הקיים במגבר נמוך ככל האפשר, במטרה להקטין את הרעש הכולל של מודול הגלאי – מגבר.
יחס SNR המיטבי
באופן מעשי ניתן להשיג זאת על ידי אריזה של כל הרכיבים במודול המקלט בתוך מצע קרמי עם קיבול נמוך. כך מופחת הקיבול המבוזר (stray capacitance) וכן גם הרעש, עובדה המספקת את רוחב הפס הטוב ביותר של המערכת עבור היישום האמור. בנוסף, שיטה זו מאפשרת ייצור של מודולים קומפקטיים ביותר.
במונחים פשוטים, מודול מקלט דיודת APD כרוך בפשרה בין מהירות ורעש. מקלט אופייני מורכב מדיודת APD ומגבר מעביר עכבה (TIA). מגבר TIA הוא מגבר הממיר זרם למתח שמתקן את ההגברה באמצעות נגד משוב. כאשר דיודת APD מחוללת זרם, נגד המשוב פועל כמגבר, כשמתח המוצא שווה לזרם של דיודת APD מוכפל בהתנגדות המשוב.
גורמי הפרעה
בדומה לרעש דיודת APD, רעש Johnson מנגד המשוב הוא הרכיב העיקרי של הרעש הכולל. בניגוד למתח רעש Johnson, שגדל ככל שההתנגדות עולה, שווה הערך של זרם רעש Johnson יורד. לכן הגדלת ההגברה (התנגדות המשוב) מקטינה את צפיפות רעש הכניסה של המגבר. עם זאת, ההקטנה של רוחב הפס הופכת כעת לבעיה, מאחר שמכפלת ההגברה ורוחב הפס עבור מגבר TIA היא ערך קבוע – כלומר, עם הגברה או גבוהה יותר או נגד גדול יותר, רוחב הפס וגם צפיפות הרעש בכניסה קטנים.
רמת אות אופטימלית
התרשים (שנראה באיור 1) מציג את היחס האופטימלי שבין הרעש לרוחב הפס אשר מושג באמצעות יחידות מגבר APD של חברת Laser Components. במקרה זה הרעש מיוצג כהספק שווה ערך של רעש (NEP), שהוא הערך בוואטים של שווה הערך של צפיפות הרעש של המערכת. ערך זה הוא מדד טוב לערך של ההספק האופטי הנמוך ביותר שאפשר לגלות אותו באמצעות המקלט.
איור 1. יחסי אות לרעש – מכווננים באופן אופטימלי – של מקלטי APD.
בחירת מקלט APD הנכון
מבחינת המשתמש, חשוב שדרישות רוחב הפס הממשיות ביישום המתאים יהיו ברורות, כדי שאפשר יהיה לבחור את הרכיב המתאים ביותר ולהקטין עד למינימום את הספק NEP הקשור. בשוק יש מגוון של דגמים, כל אחד מהם מותאם באופטימיזציה לרוחב פס אחר.
איור 2. מקלט APD בצימוד מתח ישר ללא כיסוי במארז TO–8 עם 12 פינים לגילוי כמויות אור מזעריות.
לדוגמה, סדרת H1 של Laser Components פותחה לגילוי של כמויות אור מזעריות (איור 2). הרכיבים משמשים בצימוד מתח ישר ויש להם מוצא של 50 אוהם. מגבר נוסף, שמיועד להיפוך אות, מבטיח שאות האור מחולל מתח חיובי ומתקיימת הגברת מתח נוספת. אפשר להשתמש במגבר גם כבמסנן מעביר נמוכים, כדי להקטין את הרעש בתדירות גבוהה. ובנוסף, מותקנת דיודת טמפרטורה המשמשת למדידת הטמפרטורה של דיודת APD, ומאפשרת בכך למשתמש לשנות את העומס ההתחלתי, על מנת לפצות על שינויים ברגישות המקלט שנובעים משינויי טמפרטורה. כמו כן למעגל יש מסנן פנימי למען הקטנת תקלות במתח גבוה.
הטווח של רוחב הפס במקלטי H1 מתרחב עד 25 מגה–הרץ והם קיימים גם עם קונפיגורציות אחרות של מגבר. בדגמי A ל–D, נעשה שימוש בנגדי משוב שונים, אשר מספקים למשתמש מבחר של רגישויות שונות, שאותן אפשר להתאים לדרישות רוחב הפס של היישום המסוים. בניגוד לכך, מקלטי APD עם צימוד מתח חילופין (AC) עם רוחבי פס המגיעים עד 750 מגה–הרץ, משמשים בעיקר לגילוי מהיר של כמויות אור מזעריות (איור 3). מהירות השיא מוגבלת רק על ידי סוג דיודת APD שבה משתמשים. למקלטי סדרת H2, H3, H4 ו–H2 של Laser Components, שפותחה לשימוש קל במוצרי אלקטרוניקה ספרתיים מהירים, יש יציאות הפרשיות.
הגלאי הנכון ליישום הנכון
אפשר לשלב באופן חופשי לפי הנדרש מעגלים היברידיים ודיודות אור מסוג Avalanche, מתוצרת של כל יצרן שהוא. שני שילובי החומר, שלהם יש שייכות מסחרית עיקרית הם סיליקון ואינדיום–גאליום–ארסנייד (InGaAr). בתלות במבנה שלהם, דיודות APD מסיליקון רגישות לתחום שבין 300 ו–1100 ננו–מטר, ודיודות העשויות מ–InGaAr רגישות לתחום שבין 900 ו–1700 ננו–מטר. השימוש במבנים שונים של גלאים מאפשר ביצוע אופטימיזציה של הרגישות הספקטרלית של דיודות APD עבור אורכי גל מסוימים (650, 905 או 1064 עבור דיודות APD מסיליקון ו–1550 ננו–מטר עבור דיודות APD מ–InGaAr). פעולות אופטימיזציה נוספות ובחירה נוספת מאפשרות ייצור של דיודות APD בעלות רעש נמוך במיוחד, שבהן אפשר להשתמש לגילוי פוטונים בודדים. כך מתאפשר למשתמש לבחור את הגלאי הנכון לדרישות ייחודיות.
איור 3. מקלט APD בצימוד מתח חילופין במארז TO–46 של 5 פינים.
איור 4. מקלט APD בצימוד מתח ישר במארז TO–8.
ליישומים רפואיים, כדוגמת טומוגרפיית קוהרנטיות אופטית (OCT) ומדידות של נגיהת אור (fluorescence) יש צורך, בדרך כלל, בהספק NEP נמוך של סדרת H1. התקדמות בשימוש במקורות אור רחבי פס בתחום האינפרה–אדום הקרוב בשילוב עם דיודות APD סללו את הדרך לדימות OCT ברקמות בעלות פיזור אור גבוה. ביופסיה בתוך הגוף החי (in vivo) הפכה בימינו להיות אחד היישומים המאתגרים ביותר עבור טכנולוגיית OCT. רזולוציה גבוהה ועומק חדירה גדול וכן הפוטנציאל של דימות פונקציונלי מאפשרים לטכניקות של OCT לספק את האיכות של ביופסיה אופטית שבה אפשר להשתמש כדי לבצע ניתוח של הפונקציות והמבנה המורפולוגי של רקמות ותאים.
שימוש שנעשה ממש לאחרונה במודולי מקלט APD מהירים ביותר הוא מציאת טווח באמצעות לייזרים או סורקי לייזר המבוססים על שיטת זמן המעוף. על מנת להשיג את רזולוציית הטווח בטווחים של מילימטר, יש צורך בתדירויות מדידה גבוהות ביותר. לכן גם בתחום הצבאי וגם בתחום האזרחי גלאי טווח, מכשירים למדידת מהירות, מערכות LIDAR ומדי גובה עננים (ceilometer) משתמשים בדרך כלל ברוחבי פס גדולים אשר מסופקים על ידי דיודות APD בסדרות H2-H5.
לסיכום – המוצר הנכון נמצא בהישג יד
לקיבול המבוזר בממשק שבין הגלאי והמגבר יש השפעה שלילית על רעש ועל רוחב הפס של מערכת הגלאי.
מוצרים היברידיים של גלאי ומגבר שבהם כל הרכיבים ארוזים באופן הדוק על מצע קרמי עם קיבול נמוך, מסייעים בהשגת ביצועי מערכת הטובים ביותר האפשריים. עם זאת, יש לקחת בחשבון פשרות מסוימות שבין רעש ורוחב פס. חברת Laser Components מספקת מגוון רחב של מוצרי APD היברידיים להשגת ביצועי מערכת מיטביים עבור היישום המתאים.
אודות המחברים:
וינפריד ריב [Winfried Reed] למד מכניקה מדויקת ואופטו–אלקטרוניקה באוניברסיטה הטכנית של אאלן בגרמניה. מאז שנת 1994, הוא משמש מהנדס יצור בחברת Laser Components, שם הוא אחראי על מכירות של רכיבים אקטיביים בטכנולוגיית הלייזר ורכיבים אופטו–אלקטרוניים.
דראגאן גרוביסיק [Dragan Grubistic] משמש כמנהל ראשי בחברת Laser Components DG, שהוא אתר היצור של דיודות אור מסוג Avalanche. כיום, הוא מפיק תועלת מהניסיון הנרחב שיש לו בגילוי אור ובפיתוח ותכנון של דיודות אור לתחום אינפרה-אדום, שבו הוא זכה לאחר שהשלים את לימודיו לתואר M.Sc.
