2.1. Hệ lidar
2.1.3.2. Đầu thu photodiode thác lũ (APD)
Nguyên lý hoạt động và đặc trƣng của APD
Đầu thu loại APD có những ưu điểm riêng do hoạt động trên hiệu ứng quang điện trong của hiện tượng khuếch đại thác lũ của các hạt tải trong miền lớp tiếp xúc p-n dưới thế đảo được duy trì trên lớp tiếp xúc. APD được sử dụng rất rộng trong nhiều thiết bị đo bức xạ quang yếu như các hệ lidar hay như các thiết bị nghiên cứu sự kết hợp của yếu tố quang học yếu. Với mục đích thu tín hiệu quang yếu có miền đáp ứng phổ từ 200 – 1150 nm, thơng thường chúng ta có 3 lựa chọn khác nhau cơ bản như sau: cấu trúc silicon PIN, cấu trúc Hình 2.16: Hình ảnh module PMT H6780 - 20 hoạt động ở chế độ đếm photon trên kênh tín hiệu Raman với thể nuôi 15 V.
Cửa sổ quang của PMT
Thay đổi hệ số khuếch đại Khóa điện Cáp tín hiệu
photodiode silicon thác lũ và cấu trúc PMT ống nhân quang điện. Có những ưu điểm riêng nên APD được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị và ứng dụng trong khảo sát không gian bằng bức xạ quang [87, 110].
APD có ưu điểm cả về tốc độ đếm (tín hiệu nhanh) Độ nhạy cao trên miền bước sóng lớn hơn 400 nm.
Hình 2.17 thể hiện hiệu suất lượng tử trong lớp bán dẫn khi hoạt động ở chế độ thác lũ đối với một số bước sóng khác nhau. Để đạt mục đích có được hệ số khuếch đại lớn nhất chúng ta cần tạo miền bán dẫn có độ dày lớn nhất có thể (thơng thường là 2/φ) và hệ số phản xạ bề mặt nhỏ nhất. Chỉ số phản xạ sẽ nhỏ nhất khi chúng ta tìm cách phủ một lớp điện mơi lên bề mặt của photodiode với chiết suất n1 điều chỉnh theo chiết suất của lớp bán dẫn là n2 theo mối liên hệ:
𝑛1 = (𝑛0𝑛2)1/2 trong đó n0 là chiết suất của khơng khí bằng 1, độ dày quang học của lớp phủ sẽ là 𝑑 = 𝜆
(4𝑛1) (lớp điện mơi dày một phần tư bước sóng) hoặc d có thể bằng lẻ lần độ dày ¼ bước sóng [95].
Hình 2.17: Phân bố của photon trong lớp silicon đối với một số bước sóng tới khác nhau [123].
Ví dụ như đối với Si ta có n2 = 3,4 – 3,5 khi đó điều kiện phản xạ đối với Si3N4 có n1 = 1,8 – 2,0. Do đặc điểm công nghệ mà hầu như tất cả lớp phủ bề mặt đều được sử dụng là SiO2 có n1 = 1,5. Khi đó hiệu suất lượng tử cực đại tối ưu hóa cho trường hợp của photodiode bao phủ bởi Si3N4 là 80-90% và với lớp SiO2 là 70-75%.
Trong Hình 2.18 biểu diễn giản đồ phổ độ nhạy đặc trưng của APD từ 200 nm tới 1300 nm và tại bước sóng ~850 nm thì đầu thu đạt độ nhạy cao nhất ~55A/W, độ dày lớp hấp thụ của photodiode là 30 µm và bề mặt được phủ lớp chống phản xạ là SiO2, đây chính là đặc trưng của APD chúng tôi sử dụng trong module đầu thu cho hệ lidar compact với laser 905 nm.
Những yếu tố cần nắm được khi lựa chọn photodiode APD là:
Xác định miền bước sóng đặc trưng của mỗi loại photodiode APD có hệ số khuếch đại tốt nhất.
Kích thước tối thiểu của đầu thu ứng với cấu hình hệ quang để đảm bảo tín hiệu được ghi nhận đầy đủ và hiệu quả nhất khi lựa chọn photodiode APD cả về hiệu quả quang học và hiệu quả kinh tế khi sử dụng PIN hay photodiode APD.
Hình 2.18: a): Đặc trưng độ nhạy của APD theo bước sóng tín hiệu. b): Hiệu suất lượng tử phụ thuộc vào bước sóng. c): Đặc trưng dịng tối theo thế ngược đặt vào APD [13].
a) b)
Xác định băng tần điện tử của hệ, hệ số khuếch đại và băng thơng đó phải lớn hơn độ rộng phổ tín hiệu cần đo thì khi đó chúng ta mới có thể làm tăng phẩm chất tín hiệu đo - SNR.
Về thành phần cấu tạo và đáp ứng phổ có thể chia photodiode APD thành 3 loại cơ bản sau: loại photodiode APD Silic có giải phổ đáp ứng là: 300nm tới 1100nm, photodiode APD Germani có giải phổ là: 800 nm tới 1600nm và InGaAs có giải phổ từ 900 nm tới 1700 nm [127].