Moc emitowanego promieniowania

3.3.3 Moc emitowanego promieniowania

Istotnym problemem w realizacji optoelektronicznego układu detekcyjnego bazującego na parze dioda LED – fotodioda jest moc promieniowania optycznego emitowanego w złączu półprzewodnika. Związane jest to z wydajnością kwantową heterozłącza wykorzystywanego w diodach LED emitujących promieniowanie w przedziale od 2800 nm do 4600 nm. Autor przeprowadził badania emitowanego sygnału w zespole badawczym dr Jurija Jakowlewa w Instytucie Fizyczno -Technicznym im. Joffego w St. Petersburgu.

Strona 47 Uzyskane wyniki zostały porównane z danymi dla diod LED opartych o półprzewodniki na heterostrukturach GaInAsSb/AlGaAsSb pracujących w przedziale widma od 1600 nm do 2400 nm. Moc optyczna uzyskiwana w diodach tego typu zawarta jest w przedziale od 0,6 mW do 1,4 mW co należy odnieśd do diod LED operujących w zakresie 2300 nm (pierwszy nadton w widmie absorpcyjnym metanu) bazujących na heterozłączach InAsSb/InAsSbP. Uzyskiwana w nich moc optyczna zawarta jest w przedziale od 8 µW do 16 µW. Diody te stanową zatem interesującą alternatywę dla zakładanego pierwotnie rozwiązania wykorzystującego absorpcję promieniowania przez metan w paśmie 3400 nm. Należy jednak zwrócid uwagę na przedstawione w tabeli 4 dane dotyczące detekcyjności fotodiody PD36TEC-PR. Wartośd detekcyjności dla przedziału pracy diody LED34TEC-PR czyli 3200 do 3400 nm są wyższe niż dla przedziału widma emitowanego przez diodę LED23TEC-PR czyli 2300 – 2400 nm.

Tabela 4 zawiera podsumowanie najistotniejszych informacji pozwalających na porównanie cech obu emiterów. Ostatni wiersz tabeli przedstawia zakresy detekcyjności fotodiody dla emitowanych widm obu analizowanych tu emiterów. Istotnym wkładem do poprawy mocy emitowanego promieniowania mogą byd publikowane w ostatnich latach prace związane z domieszkowaniem heterozłącz GaInAsSb/AlGaAsSb pierwiastkami ziem rzadkich: gadolinu (Gd), iterbu (Yb) i erbu (Er) [59].

TABELA 4

Zestawienie głównych parametrów diod LED23TEC-PR i LED34TEC-PR

(na podstawie materiałów firmy IBSG)

PARAMETR Jednostka LED23TEC-PR LED34TEC-PR

Rodzaj heterozłącza InAsSbP GaInAsSb

Długośd fali emitowanego promieniowania nm 2300-2400 3200-3400

Szerokośd połówkowa emitowanego widma FWHM nm 260 600

Dryf temperaturowy emitowanego promieniowania nm/K 1.5 3

Znamionowy prąd przewodzenia w trybie pseudo-ciągłym QCW mA 150 150

Moc optyczna w trybie QCW dla 150 mA µW 600 45

Wydajnośd kwantowa % 1-3 0.5

Temperaturowa zależnośd wydajności kwantowej %/K 3.5 5

Detekcyjnośd fotodiody PD36TEC-PR cmHz^1/2/W 1,15E+9 - 1,29E+9

1,79+9 - 1,78E+9

Strona 48 3.3.4 Charakterystyka kierunkowa emitowanego widma diody LED i fotodiody

Diody LED i fotodiody, wykorzystywane przez autora, emitujące promieniowanie podczerwone w zakresie od 1600 nm do 4900 nm zaopatrzone są przez producenta w wykonany z aluminium reflektor paraboliczny. Nadaje to tym elementom określone parametry kierunkowe, które w związku z niską mocą emitowaną przez diodę LED oraz względnie niską detekcyjnością wykorzystywanej fotodiody PD36TEC-PR wprowadza znaczące wymagania w dokładności realizacji drogi optycznej. Pozytywnym aspektem tego rozwiązania jest - dzięki znacznej redukcji szerokości emitowanego strumienia promieniowania - uniknięcie promieniowania odbitego od ścian komory pomiarowej na dystansie poniżej 250 mm. Realizowane w ten sposób komory mają przekrój nie mniejszy niż średnica diody LED z reflektorem, czyli 15 mm.

W rozdziale 5 autor przedstawił między innymi badania związane z analizą charakterystyk kierunkowych wykorzystywanych elementów i przeprowadził dyskusję uzyskanych wyników.

Strona 49

4. Stanowiska pomiarowe wykorzystywane

w badaniach

Jak wspomniano wcześniej, częśd pomiarów przeprowadzona została przez autora w Instytucie Fizyczno -Technicznym im. Joffego w St. Petersburgu, w zespole dr Jurija Jakowlewa. Korzystając z uprzejmości członków zespołu: dr Siergeja Molchanowa i dr Nikolaja Stoyanowa wykonane zostały analizy poziomu sygnału emitowanego przez diody LED oraz uruchomiony i przetestowany został tor optycznej detekcji gazu wykorzystujący zaprojektowaną przez autora komorę o objętości 140 cm³, rys. 4.1.

W badaniach tych wykorzystano zestaw do pomiarów synchronicznych układu dioda LED – fotodioda składający się z układu generatora przebiegu prostokątnego DLT37M oraz detektora synchronicznego AMT-37M. Generowanym sygnałem był przebieg pseudo-ciągły QCW (ang.: quasi-continuous-wave), prostokątny o wypełnieniu impulsu 50% i zakresie zmian częstotliwości od 0,5 kHz do 16 kHz lub impulsowy o czasie impulsu regulowanym w przedziale 0,6 do 20 µs i częstotliwości od 0,5 kHz do 16 kHz. Amplituda generowanego sygnału dla trybu pseudo ciągłego zawarta była w przedziale od 10mA do 200mA oraz dla pracy impulsowej od 10 mA do 2 A.

Rys. 4.1. Zestaw wykorzystywany przez autora podczas pomiarów w Instytucie Fizyczno -Technicznym im. Joffego w Sankt Petersburgu

Strona 50 Układ DLT37M generował również sygnał synchronizacji wykorzystywany przez układ detekcji synchronicznej AMT-7M. Oba układy pozwalały na kontrolę temperatury w przedziale od -10C do +30C z dokładnością 0,1C.

Na rysunku 4.2 przedstawiony został schemat blokowy układu detekcji synchronicznej AMT-7M - wykorzystywanego przez autora na pierwszym etapie badao. Fotodioda PD36TEC-PR podłączona jest do wzmacniacza wejściowego (1) w torze akwizycji sygnału. Jego sygnał wyjściowy po przejściu przez filtr pasmowo przepustowy (2) o paśmie przenoszenia od 500 Hz do 20 kHz wprowadzany jest na wejście wzmacniacza pomiarowego (3) na wejściu układu detekcji fazoczułej (4). Uzyskany sygnał wyjściowy przesyłany jest przez przetwornik analogowo cyfrowy do mikrokontrolera prezentującego wyniki pomiaru.

Rys. 4.2. Schemat blokowy detektora synchronicznego przeznaczonego do współpracy z fotodiodą PD36TEC-PR.

(na podstawie materiałów firmy IBSG)

Moduł kontroli temperatury na podstawie informacji o temperaturze termorezystora RT z przetwornika R/U (1) i wartości zadanej (2) określa wartośd błędu ustalenia temperatury (3). Na podstawie tej informacji kontroler (4) wyznacza wartośd napięcia dla modułu termoelektrycznego TEC. Informacja o aktualnej temperaturze oraz informacje z kontrolera temperatury również przekazywane są do mikrokontrolera µC.

Strona 51

4.1 Pomiar fazoczuły (Lock-In)

Detekcja selektywna określana również jako fazoczuła jest jedną z metod pomiarowych, która wykorzystywana jest do pomiaru słabych sygnałów w obecności szumu. Rozróżnienie i wyodrębnienie sygnału użytecznego z zakłóceo realizowane jest przez modulację sygnału wzbudzenia lub parametrów pomiarowych układu z określoną częstością [60, 64].

Pomiar realizowany jest przez detektor fazowy, którego zasada działania została przedstawiona na rysunku 4.3.

Rys. 4.3. Schemat blokowy przedstawiający realizację pomiaru fazoczułego w układach wykorzystywanych w pomiarach

Sygnał zmienny, o częstotliwości równej sygnałowi odniesienia i zgodny z nim w fazie, doprowadzony do układu detektora zostaje wyprostowany dwupołówkowo. Jeśli sygnał ten jest przesunięty w fazie o /2, na wyjściu detektora pojawi się sygnał zmienny, który po uśrednieniu przyjmie wartośd zerową, tak jak pokazuje to rysunek 4.4.

Strona 52

Rys. 4.4. Przebiegi uzyskiwane w układzie detektora homodynowego

a) dla sygnału wejściowego zgodnego w fazie z sygnałem referencyjnym, b) dla sygnałów przesuniętych w fazie o /2

W każdym przypadku okres sygnału wyjściowego z detektora będzie równy połowie okresu sygnału na jego wejściu. Tak więc napięcie jakie ustali się na wyjściu detektora dla sygnału wejściowego:

t A

U_WE  sin (4.1)

będzie miało wartośd wprost proporcjonalną do amplitudy mierzonego sygnału, opisaną wzorem:



Pomiar selektywny za pomocą wzmacniacza selektywnego typu lock-in realizowany jest w trybie przetwarzania dwufazowego, którego schemat blokowy przedstawia rysunek 4.5.

Strona 53

Rys. 4.5. Idea pomiaru selektywnego w trybie przetwarzania dwufazowego

Oscylator wewnętrzny generuje częstotliwośd wzorcową R wprowadzaną na wejście mieszacza M1, gdzie poddawana jest mnożeniu z sygnałem odniesienia syn. Wynikiem tej operacji jest sygnał o częstotliwości będącej sumą obu przebiegów R + syn, który w mieszaczu M2 ulega mnożeniu z sygnałem wejściowym _WE. Uzyskany w ten sposób sygnał R o amplitudzie proporcjonalnej do wartości sygnału wejściowego jest ograniczany pasmowo do częstotliwości rezonansowej R przez filtr rezonansowy. Kolejny etap przetwarzania realizowany jest w detektorach synchronicznych MP1 i MP2 sterowanych sygnałem _R. Mieszacz MP1 wytwarza sygnał X proporcjonalny do kosinusa przesunięcia fazowego badanego sygnału, mieszacz MP2 przełączany sygnałem generatora odwróconym w fazie o 90 wytwarza sygnał Y, proporcjonalny do sinusa przesunięcia fazowego sygnału. Sygnały X i Y są następnie sumowane na wzmacniaczu realizującym sumę U_WY  X ² Y ² .

Wynikiem jest sygnał proporcjonalny do amplitudy badanego przebiegu wejściowego i niezależny od jego fazy.

Stabilny generator wewnętrzny, możliwośd silnego zawężenia pasma przetwarzania do częstotliwości _R i duża dobrod stosowanych filtrów pozwala osiągnąd znaczną poprawę stosunku sygnału do szumów. Pozwala to na pomiary sygnałów o amplitudzie rzędu nanowoltów i prądu na poziomie pikoamperów.

Strona 54

4.2 Komory pomiarowe

Autor na potrzeby badao zaprojektował i wykonał zestaw komór przeznaczonych do optycznej analizy gazu. Opierając się na publikacji J.P. Silveira, F. Grasdepot [42] opisującej zrealizowany detektor metanu bazujący na diodach laserowych pracujących w paśmie zbliżonym do drugiego nadtonu pasma absorpcyjnego metanu (1310 nm), autor zaprojektował i wykonał wieloelementową komorę detekcyjną pozwalającą uzyskad trzy różne długości drogi optycznej: 10, 20 i 30 cm. Pozwalała ona również na wykorzystanie dwóch emiterów: dla długości fali 3400 nm oraz 2300 nm, to znaczy głównego pasma w widmie absorpcyjnym metanu oraz pierwszego nadtonu, wykorzystując jeden wspólny detektor lub dwa osobne detektory. Komory te określane są w dalszej części pracy jako komory typu D.

Zaprojektowane i wykonane zostały dwie małe komory: o objętości 6 cm³, nazywane dalej komorą typu M6 oraz komora M4 o objętości roboczej 4 cm³ . Wykorzystywana jest w nich jedna optopara dioda LED – fotodioda.

Badania przeprowadzone z wykorzystaniem komór typu D uwypukliły cechy optycznych detektorów metanu, które w znacznym stopniu wpływają na jakośd, a nawet możliwośd przeprowadzenia analizy stężenia metanu. Pierwszą z nich jest względnie duża objętośd robocza, która przy istniejącej sprawności układu dozowania gazów, wprowadzała znaczną inercję do układu, wynikającą z czasu wymiany mieszaniny wewnątrz komory pomiarowej. Kolejną cechą jest znaczna droga optyczna, wymuszającą bardzo dokładne pozycjonowanie względem siebie emitera i fotodiody. Wynika to z konstrukcji elementów: reflektory paraboliczne zawężają znacznie charakterystykę kątową promieniowania diody LED i czułośd kątową fotodiody. Zjawisko to było przedmiotem pomiarów przeprowadzonych przez autora i przedstawionych w rozdziale 5.2 niniejszej pracy.

Strona 55 a)

b)

c)

Rys. 4.6. Komory pomiarowe typu D:

a) schemat roboczy komory: 1, 3 diody LED, 2 – detektor (fotodioda) b) komora D o objętości roboczej 140 cm³

c) komora D pracującą w maksymanej objetości roboczej 420 cm3

Wynikiem nieznacznej zmiany kąta między emiterem a fotodiodą jest znaczne pogorszenie czułości układu, prowadzące do zaniku sygnału pomiarowego.

Strona 56 Autor przeprowadził częśd prac uruchomieniowych przy pełnych rozmiarach komory typu D: 420 cm³ objętości roboczej i 30 cm długości drogi optycznej (rysunek 4.6c). Pomiary stężenia gazu w komorach tego typu przeprowadzone zostały dla długości drogi optycznej 10 cm i odpowiadającej jej objętości roboczej 140 cm³ mieszaniny gazów. Dużym problemem związanym z charakterystyką kierunkową detektora było uzyskanie prawidłowego sygnału przy pomiarach opartych o dwa emitery.

Kolejny etap badao wykonano w dwóch seriach, wykorzystując jeden emiter i jeden detektor: dla głównego pasma absorpcyjnego wykorzystując diodę LED emitującą promieniowanie w zakresie 3400 nm oraz w drugiej serii korzystając z diody o emisji widma o długości fali 2300 nm.

Badania przeprowadzone z wykorzystaniem komór typu D potwierdziły możliwośd realizacji detekcji w przedziale stężeo od 0,1% do 100% zawartości metanu w mieszaninie gazów. Kolejnym etapem było wykonanie komory pomiarowej M6 (rysunek 4.7) o długości drogi optycznej 6 cm i objętości roboczej 10 cm³. W komorze tej zostały powtórzone badania w zakresie stężeo od 1% do 100% zawartości metanu w mieszaninie gazów. Wykonane zostały również pomiary brzegowe, to znaczy dla przedziału stężeo 0,1% do 20% oraz 80% do 100% zawartości metanu w mieszaninie.

Rys. 4.7. Komora pomiarowa M6

Analizując uzyskane wyniki, autor zredukował objętośd roboczą komory do 7 cm³ i długości drogi optycznej do 4 cm, konstruując komorę M4 (rysunek 4.8).

Strona 57 Autor wykonał badania w przedziale od 1% do 100% zawartości metanu, porównując uzyskane wyniki z badaniami w komorach D i M6. Krótsza droga optyczna pozwoliła na poprawę jakości sygnału, poprawiając jakośd pomiaru stężenia. Porównując uzyskane wyniki autor postanowił wykorzystad komorę M4 w pracach nad prototypem optoelektronicznego układu analizy stężenia metanu wykorzystującego układ FPGA Spartan 3E.

a)

b)

Rys. 4.8. Komora pomiarowa typu M4 wykorzystywana w badaniach prototypu optycznego detektora metanu:

a) otwarta komora oraz elementy optopary w gniazdach zamykających komorę: po lewej stronie fotodioda PD36, po prawej - dioda LED34TEC-PR,

b) komora umieszczona na stanowisku pomiarowym

Komory pomiarowe typu D, M6 i M4 zostały przebadane w trzech układach pomiarowych. Pierwszym z nich był układ do pomiarów synchronicznych, który

Strona 58 udostępniono autorowi w Instytucie Fizyczno-Technicznym im. Joffego w St. Petersburgu w zespole dr Jurija Jakowlewa. Drugim układem było stanowisko pomiarowe oparte o wielofunkcyjną kartę akwizycji danych NI PCI-6229 firmy National Instruments i zestaw programów pomiarowych wykonanych przez autora w środowisku LabVIEW.

Bazując na uzyskanych wynikach autor zrealizował kod programu wykorzystywany w układzie prototypowym.

Na tym etapie badania zrealizowano z wykorzystaniem komory M4 będącej docelową komorą pomiarową optoelektronicznego układu do analizy stężenia metanu.