Охлаждаемое матричное гетеродинное фотоприемное устройство

Заявляемая полезная модель относится к области приема ИК-излучения в диапазоне волн 10-12 мкм в режиме оптического гетеродирования. Настоящее предложение решает задачу увеличения чувствительности и пространственного разрешения лидарного комплекса, предназначенного для дистанционного контроля загрязнения атмосферы. Был изготовлен и испытан экспериментальный образец предлагаемого матричного ГФПУ на основе фотодиодов из КРТ р-типа проводимости. На изготовленном образце получены требуемые параметры.

Заявляемая полезная модель относится к технике приема оптического излучения в диапазоне длин волн 10-12 мкм и может широко применяться в ИК-аппаратуре для измерения скорости быстродвижущихся объектов, системах ориентации и управления, пирометрии, дальнометрии, оптических средствах связи, разведке полезных ископаемых, медицине и других научных исследованиях. Для этого спектрального диапазона известны фотоприемники (ФП) и фотоприемные устройства (ФПУ) на основе тройного соединения Cd_xHg _1-xTe (KPT) состава x0,21, работающие при температуре 77К.

По физическим принципам регистрации и первичной обработки информации, содержащейся в фотосигнале, различают ряд способов приема оптического излучения. Наиболее распространены прямой (некогерентный) и гетеродинный методы.

При некогерентном приеме осуществляется выделение информационного сигнала, которым промодулирован по интенсивности сигнал оптической несущей, с учетом внешнего фонового излучения и внутренних тепловых шумов ФПУ. Влиянием внутренних тепловых шумов можно пренебречь, если обеспечить режим ограничения дробовыми шумами, который достигается при высокой интенсивности оптического сигнала. Однако обеспечить высокий уровень сигнального поля на входе ФПУ, особенно, для систем большой дальности часто бывает невозможно.

Другой способ приема фотосигналов - метод оптического гетеродинирования. В этом случае сигнальное оптическое излучение суммируется или смешивается с оптическим полем местного гетеродина

(СО₂-лазера) на фоточувствительной площадке ФПУ. Именно факт использования дополнительного оптического поля местного гетеродина позволяет увеличить дробовый шум гетеродинного ФПУ (ГФПУ) до уровня, при котором как тепловые шумы, так и дробовые шумы, вызываемые любыми источниками шума, кроме местного гетеродина, становятся пренебрежимо малыми, что позволяет добиться максимального отношения сигнал/шум и, следовательно, максимальной фоточувствительности.

Известны одно- и 10-элементные фотоприемники и фотоприемные устройства для гетеродинного приема излучения на длине волны 10,6 мкм [1, 2]. Фоточувствительные элементы (ФЧЭ) представляют собой фотодиоды КРТ р-типа проводимости, область n-типа формируется ионной имплантацией. Корпуса ФПУ - стеклометалические дьюары, охлаждение осуществляется заливкой жидкого азота. Пороговая чувствительность в гетеродинном режиме для обоих типов ГФПУ не превышает 1×10 ^-19 Вт/Гц. Одноэлементное гетеродинное ФПУ, как наиболее близкое к предлагаемому, принято за прототип [2].

Основными недостатками данного устройства являются:

- недостаточная чувствительность из-за малого размера фотоприемной площадки диаметром 300 мкм;

- охлаждение ФЧЭ до рабочей температуры осуществляется заливкой жидкого азота, что существенно снижает возможности применения.

Настоящее предложение решает задачу комплектации измерительной аппаратуры лидарного комплекса для дистанционного контроля загрязнения атмосферы фотоприемным модулем, свободным от перечисленных выше недостатков.

Принцип работы лидарного комплекса заключается в следующем. Излучение СO₂-лазера разделяется на 2 канала. Один луч направляется в атмосферу, отражается от нее, возвращается в приемный тракт лидара,

модулируется в диапазоне частот 20-30 МГц и фокусируется на фоточувствительную площадку ГФПУ. Второй луч, являющийся местным гетеродином, направляется непосредственно на фоточувствительную площадку ГФПУ. Оба оптических сигнала смешиваются на фоточувствительной поверхности, при этом на выходе ГФПУ возникает сигнал промежуточной частоты 20-30 МГц.

Поскольку увеличение площади фотоприемника приводит к росту чувствительности комплекса, то для данной задачи можно было бы использовать одноэлементное ФПУ с фоточувствительной площадкой диаметром 2 мм, как это предложено в работе [3]. Однако из-за турбулентности атмосферы отраженный волновой фронт имеет неоднородную по плоскости фотоприемного элемента фазовую структуру, из-за чего увеличение площади фотоприемного элемента не эффективно, так как величина сигнала после гетеродинирования резко уменьшается. Кроме того, увеличение размера фоточувствительной площадки приводит к уменьшению быстродействия фотоприемника из-за увеличения емкости ФЧЭ и сопротивления растеканию тока по подложке КРТ.

Поэтому нами предложено большую фоточувствительную площадку разбить на элементы меньшего размера и параметры оптической системы лидара рассчитать таким образом, чтобы каждый фоточувствительный элемент ГФПУ принимал однородный по фазе фрагмент волнового фронта. После гетеродинирования сигналов фоточувствительными элементами и математической обработки скалярные амплитудные составляющие сигнала каждого элемента складываются, и определяется суммарный потенциал принимаемого излучения. Такой метод регистрации позволяет увеличить отношение сигнал/шум, повысить чувствительность лидарного комплекса и обеспечить дальность контроля до 15 км.

Для решения этой задачи было разработано и изготовлено охлаждаемое матричное гетеродинное фотоприемное устройство на длину волны 10,6 мкм с увеличением числа ФЧЭ до 25-и и ортогональным

пространственным расположением их в матрицу 5×5 элементов. Фоточувствительные элементы представляют собой фотодиоды на основе КРТ р-типа проводимости состава x0,21, n-область которых формировалась методом ионной имплантации. Необходимые размеры ФЧЭ и их взаимное расположение обеспечиваются фотолитографическими методами. Кристалл с матрицей ФЧЭ приклеивается в центре сапфирового растра диаметром 20 мм и толщиной 1 мм. Здесь же располагаются 25 сопротивлений нагрузки фотодиодов и фильтрующий конденсатор. Величина сопротивлений нагрузки выбирается, исходя из верхней границы полосы частот ГФПУ с учетом известной емкости фотодиода при рабочем напряжении смещения (˜20 пФ), и составляет ˜300 Ом.

Охлаждаемый узел, представляющий собой сапфировый растр с матрицей ФЧЭ, сопротивлениями нагрузки и фильтрующим конденсатором, проиллюстрированный рис.1, располагается в фокальной плоскости вакуумного криостатируемого корпуса, предназначенного для стыковки с микрокриогенной системой охлаждения (МКС) типа МСМГ-3А-0,6/80, охлаждающей фотоприемник до 80К. Входное окно криостата изготовлено из германия, просветленного на длину волны 10,6 мкм.

Блок предварительных усилителей матричного ГФПУ состоит из:

- 25-и высокочастотных (ВЧ) предусилителей со схемой смещения;

- 25-и низкочастотных (НЧ) предусилителей для контроля мощности гетеродинного излучения;

- стабилизаторов питания операционных усилителей и схемы смещения рабочей точки фотодиодов;

- стабилизатора тока термодатчика со схемой его развязки от цепей управления микрокриогенной системы охлаждения.

Высокочастотные усилители блока предварительных усилителей выполнены на операционных усилителях (ОУ) с граничной частотой не менее 600 МГц. Заданная полоса частот ГФПУ 30 МГц при выбранном

коэффициенте усиления усилителя 50 (определяется требуемым значением вольт-ваттной чувствительности ГФПУ) реализуется при использовании ОУ AD 8002.

Низкочастотные усилители блока предварительных усилителей используются для контроля мощности излучения лазерного гетеродина, падающего на каждый фотодиод матрицы. Данные усилители выполнены на низкочастотных, малошумящих ОУ ОР270. Коэффициент усиления усилителей рассчитывается, исходя из токовой чувствительности фотодиодов и диапазона уровней мощности излучения лазерного гетеродина.

На выходах всех высокочастотных усилителей установлены высокочастотные разъемы SMB-JR, а выходы низкочастотных усилителей подсоединены к контактам низкочастотного разъема DHR-26M.

Питание высокочастотных и низкочастотных усилителей осуществляется от интегральных стабилизаторов напряжения, выполненных на микросхемах 78L05 и 79L05, по входу и выходу которых установлены фильтрующие конденсаторы.

Напряжение смещения на все фотодиоды матрицы формируется при помощи интегрального стабилизатора L7905 и смещенного в прямом направлении кремниевого диода, удерживающего это напряжение на уровне 0,7 В.

Для стабилизации температуры матрицы фотодиодов, охлаждаемой микрокриогенной системой охлаждения, используется датчик температуры, установленный рядом с матрицей в холодной зоне криостата. Датчик температуры включается в цепь обратной связи микрокриогенной системы. Для защиты матрицы фотодиодов и цепей усилителей от наводок, создаваемых микрокриогенной системой охлаждения, в блоке предварительных усилителей предусмотрен стабилизатор тока термодатчика и развязывающий операционный усилитель.

Питание блока предварительных усилителей осуществляется от источника питания с напряжениями +9 В и -9 В. Питание подается через контакты 1 и 2 разъема РС7ТВ. К другим контактам разъема подключены выводы термодатчиков.

Вакуумный криостат с матрицей ФЧЭ и электронные блоки ГФПУ собраны в едином металлическом корпусе для обеспечения высокой помехозащищенности от электромагнитных наводок.

Был изготовлен и исследован экспериментальный образец предлагаемого матричного ГФПУ. На изготовленном образце получены следующие основные фотоэлектрические параметры:

- Вольтовая чувствительность в максимуме

- Пороговая чувствительность на длине волны 10,6 мкм

при мощности гетеродина 0,25 мВт/элемент на частоте

- Неравномерность частотной характеристики в пределах

Таким образом, создан новый тип гетеродинного фотоприемного устройства - матричное ГФПУ, характеризующееся высокой чувствительностью и быстродействием.

От прототипа - одноканального ГФПУ - предлагаемый образец отличается большим числом элементов (25), расположенных в виде матрицы (5×5), широкой рабочей полосой частот и тем, что охлаждение ФЧЭ до рабочей температуры осуществляется не заливкой жидкого азота,

а автономной микрокриогенной системой, что существенно расширяет возможности применения предлагаемого образца ГФПУ.

Литература

1. A.M.Filachev, V.P.Ponomarenko, I.I.Taubkin, V.E.Lojnikov and etc. High-speed photodetectors and photodetective assemblies for receiving laser radiation in 0.3- to 11m spectral range // Research, Development and Production Ctr. ORION (Russia), Proceedings of SPIE Vol.5126, 2003, pp.206-214.

2. V.E.Lojnikov, K.O.Boltar, I.D.Bourlakov, S.V.Golovin, N.G.Mansvetov, LWIR heterodyne HgCdTe detectors // Proceeding of SPIE, Vol.4340, p.p.81-84, 2000.

3. Clinton В. Carlisle, Jan E. van der Laan, Lewis W. Carr, Philippe Adam, Jean-Pierre Chiaroni, CO ₂ laser-based differential absorption lidar system for range-resolved and long-range detection of chemical vapor plumes // APPLIED OPTICS, Vol.34, No.27, p.p.6187-6199, 1995.

Матричное гетеродинное фотоприемное устройство, содержащее фотоприемный модуль на основе КРТ-фотодиодов, блок высокочастотных (ВЧ) предусилителей со схемой смещения, блок низкочастотных (НЧ) предусилителей для контроля мощности гетеродинного излучения, вакуумный криостатируемый корпус, предназначенный для стыковки с микрокриогенной системой охлаждения, отличающееся тем, что в качестве фотоприемного модуля использована матрица фоточувствительных элементов (ФЧЭ) из 25 фотодиодов с ортогональным пространственным расположением, сформированных методом ионной имплантации на подложке КРТ р-типа проводимости в виде областей n-типа размером 160×160 мкм с шагом 200 мкм, причем контакты к n-области каждого фотодиода выведены сформированными фотолитографическим методом металлическими полосками, изолированным от подложки диэлектриком толщиной 10 мкм, имеющими ширину 20 мкм и толщину 5 мкм, на соответствующие контактные площадки у края кристалла, а общий для всех ФЧЭ контакт к c-области выведен на 4 контактные площадки в углах кристалла КРТ, который приклеен в центре сапфирового растра диаметром 20 мм и толщиной 1 мм, на котором по периферии закреплены 25 нагрузочных резисторов, с сопротивлением ˜300 Ом, включаемых последовательно с фотодиодами и фильтрующего конденсатора, охлаждаемый узел, состоящий из матрицы ФЧЭ и сапфирового растра расположены в фокальной плоскости на металлостеклянном держателе вакуумного криостатируемого корпуса, стыкуемого с микрокриогенной системой охлаждения типа МСМГ-3А-0,6/80, в теплой зоне которого размещаются 25 предварительных усилителей высокой частоты на базе операционных усилителей AD8002 и 25 низкочастотных предусилителей на базе операционных усилителей ОР270; криостат с матрицей ФЧЭ и блоки предусилителей объединены в единый металлический корпус для обеспечения помехозащищенности от электромагнитных наводок.