1 Elektronika pro zpracování optického signálu Výběr elektroniky a detektorů pro měření optického signálu je odvislé od toho, jaký signál budeme detekovat. V první řadě je potřeba vědět, jakých intenzit signál dosahuje, aby jsme nezničili detektor. Dále musíme znát rozmezí intenzit, aby měl detektor dostatečnou přesnost. Co se týče časových vlastností bychom měli sledovat, zda je signál postupně se měnící (kontinuální) a nebo pulzní a k jak rychlým změnám optického výkonu dochází. Detektory mohou mít různé výstupy. Většinou se mění výstupní napětí podle dopadající intenzity. Podle toho, jak je který detektor rychlý, tak může sledovat rychlejší změny optického signálu. Pro zajímavost, rychlost světla ve vakuu je přibližně 300 000 km/s. V optickém vlákně o indexu lomu 1.5 urazí světlo jeden metr přibližně za 5 ns. Stejnou dobu potřebuje i elektrický impulz v koaxiálním kabelu. 1.1 Detektory Existuje mnoho druhů detektorů světla, ty se dají rozdělit do tří skupin fotonové, termální a koherentní detektory. Fotonové detektory reagují přímo na jednotlivé fotony, tedy dopad fotonu vyvolá nějakou chemickou nebo elektrickou odezvu. Nejznámějším fotonovým detektorem je oko. Aktivními detekčními prvky oka jsou dva druhy světlocitlivých buněk - tyčinky a čípky. Dopad fotonu na tyto buňky vyvolá nervový vzruch. Odezva oka je případ od případu jiná, těžko se pomocí něj mohou provádět nějaká opakovatelná měření. Proto se vyvinula fotografie, metoda záznamu optické informace. U fotografie dochází vlivem dopadajícího záření k chemické reakci, která má za následek zčernání zrn halidu stříbra ve fotografické emulzi. Fotografie už je reprodukovatelná a na některé aplikace dosud nenahraditelná metoda, nicméně se hledal proces detekce, který by nám ukázal výsledek hned bez nutnosti dalšího chemického vyvolávání. Při fotoelektrickém jevu (fotoefektu) je z krystalové mřížky materiálu detektoru uvolněn elektron po dopadu fotonu. Při vnějším fotoefektu je elektron z kovu vytržen do volného prostoru, v případě vnitřního fotoefektu je elektron excitován z valenčního do vodivostního pásu polovodiče a vznikne pár volných nosičů náboje elektron se záporným a díra s kladným nábojem (obr. 1). a) - Volný elektron b) Nejbližší vyšší pás Vakuum - Volný elektron c) Vakuum h Vodivostní pás kovu W Fermiho hladina h Vodivostní pás - h Valenční pás polovodiče E g W Obrázek 1: a) Vnější fotoefekt v kovu, b) vnější fotoefekt v polovodiči, c) vnitřní fotoefekt v polovodiči. 1
Detektory využívající vnitřní fotoefekt Fotoodpor změna nárůstu vodivost polovodiče úměrná počtu generovaných volných nosičů vzniklých excitací dopadajících fotonů Fotodioda několik různých funkčních zapojení, většinou se sleduje nárůst napětí na p- n přechodu, excitace volných nosičů probíhá na rozhraní dvou různě dotovaných polovodičů (ochuzená vrstva) Lavinová fotodioda APD, polovodičový p-n přechod pod napětím, které urychluje generované nosiče náboje tak, že mohou nárazově (kinetickou energií) excitovat další volné nosiče Detektory využívající vnější fotoefekt Fotonka nejjednodušší konstrukce sestávající se z fotokatody, kde dochází k excitaci elektronů do vakua, a anody, kde dochází k zachytávání volných elektronů Fotonásobič mezi katodou a anodou je navíc soustava dynod pod spádovým napětím, elektrony jsou urychlovány napětím, po dopadu na dynodu vytvoří spršku sekundárních elektronů, při šíření na anodu dochází k lavinovému násobení Multikanálová destička MCP, mezi katodou a anodou je místo dynod trubička s vnitřní stěnou z materiálu s vysokou sekundární emisivitou, je zachováno prostorové rozlišení Termální detektory, jak už název napovídá, sledují změnu teploty senzoru, kterou způsobí dopad fotonů. Čím více fotonů je materiálem absorbováno, tím více se ohřeje. Teplotní změna se neměří přímo, ale podle účinku na jinou vlastnost materiálu, například s teplotou se mění vodivost. V určitých oblastech, například v okolí supravodivé teploty materiálu, je tato závislost tak strmá, že lze pomocí specializovanějších termálních detektorů zaznamenat i jednotlivé fotony (energie fotonu E = hν = hc/λ). Nevýhodou termálních detektorů je jejich malá rychlost, ta je omezena rychlostí vedení tepla v materiálu, která je podstatně menší než rychlost elektrického signálu. Tento typ detektoru tedy nelze použít pro analýzu rychlých pulzních dějů. Poslední skupinou jsou koherentní detektory, ty reagují přímo na změnu velikosti elektrického pole signálu a jsou schopny určit fázi dopadajícího záření. Jsou použitelné od dlouhovlnné oblasti viditelného spektra přes infračervené záření až po rádiové vlny. Funkční součástí těchto detektorů je lokální oscilátor, harmonický signál o stejné frekvenci jako má měřené záření. Lavinová fotodioda v Geigerově módů (APD) APD je jeden z detektorů schopných registrovat jednotlivé fotony. Ochuzená vrstva polovodičového přechodu je pod vysokým závěrným napětím. Dopad jednoho fotonu s určitou pravděpodobností (typicky 50-70%) excituje elektron z valenčního do vodivostního pásu, vznikne pár volných nosičů náboje elektron a díra. Ty jsou vlivem silného elektrického pole urychlovány, každý opačným směrem, viz obr. 2. Cestou se sráží s okolní krystalovou mřížkou. Pokud je dráha urychlování dostatečně velká, mohou elektron i díra získat takovou energii, že nárazem do mřížky excitují další volné nosiče. Ty jsou také urychlovány a mohou excitovat. Vzniká tak lavina, která se může šířit oběma směry, podle obrázku jsou elektrony urychlovány 2
doprava a díry doleva. Pokud by nebylo urychlovací napětí včas odpojeno, potom by mohlo příliš velké množství pohybujících se volných nosičů teplotně poškodit detektor. Proto musí být tyto typy detektorů vybaveny elektronikou, která toto odpojení zajistí. Po určitou dobu potom není schopen detektor znovu pracovat, protože se volné nosiče musí z ochuzené oblasti odstranit, musí zrekombinovat. Pokud by po opětovném zapojení urychlovacího napětí v oblasti zůstaly volné nosiče, mohli by spustit detekční lavinu, aniž by dopadl foton (afterpulz). K nechtěné detekci bez dopadu fotonu může dojít i díky termální excitaci nosičů náboje (temné detekce). APD nedokáží určit počet dopadajících fotonů v pulzu, zesilovací šum je natolik velký, že tuto informaci nelze získat. Proto se těmto detektorů říká binární, bud na ně nedopadlo nic a nedají žádnou odezvu, nebo na ně dopadne jeden a více fotonů, které spustí lavinu a výstupní napět ový TTL pulz. p Excitace - 3 h Urychlení díry - Urychlení elektronu 1 - Excitace 2 E g n E c E v x Proud [A] 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 Temný proud Fotoproud Průrazné napětí Oblast zisku Destrukční napětí 10 15 20 25 30 Závěrné napětí [V] Obrázek 2: Vlevo princip lavinového násobení počtu volných nosičů, vpravo závislost výstupního proudu na velikosti závěrného napětí u lavinové fotodiody. 1.2 Moduly TAC/SCA V některých aplikacích je potřeba rozlišit takové fotonové události, které se udály ve stejný okamžik, tj. kdy dva detektory registrují současně foton. Velmi krátké časové intervaly lze těžko rozlišovat, pokud je šířka elektrických výstupních pulzů delší, musí se brát v potaz pouze náběžná hrana těchto pulzů. Pro odfiltrování současných detekcí (koincidencí) se používá dvojice elektronických modulů TAC a SCA. TAC Time to Amplitude Convertor převádí časové zpoždění dvou signálů na velikost (amplitudu) napět ového pulzu SCA Single Chanel analyzer potom provádí selekci těchto pulzů, vybírá pouze takové pulzy s napětím v určitém rozsahu tzv. koincidenčního okna Při elektronickém přenosu signálu o fotonové detekci se používá dvojí norma, TTL a NIM. TTL značí kladné napět ové pulzy, APD většinou produkují pulzy o napětí 5 V a trvání 20 ns. Dalším možným způsobem jsou proudové NIM pulzy se záporným napětím 1 V. Součinnost modulů TAC a SCA má tento scénář (obr.3): Fotonové detektory produkují kladné TTL pulzy, jelikož modul TAC zpracovává NIM pulzy, musí dojít k převrácení 3
pulzů z detektorů pomocí jednoduchého převraceče TTL/NIM. Pulz z jednoho detektoru se definovaným způsobem zpozdí, elektrický signál projde delším koaxiálním kabelem (5 ns na metr). Nezpožděný pulz z dolního detektoru funguje jako start pulz, po jeho registraci začne modul lineárně zvyšovat napětí. V okamžiku, kdy dopadne zpožděný pulz z horního detektoru, se nárůst napětí zastaví na určité hodnotě a modul TAC vyšle na výstup kladný napět ový TTL pulz tohoto napětí (v rozmezí 0 až 10 V). Tento pulz je následně zpracován modulem SCA. V něm nastavíme polohu koincidenčního okna podle délky zpoždění koaxiálního kabelu, šířku koincidenčního okna nastavíme podle potřeb experimentu. Jen pulzy s takovou velikostí, která bude splňovat vymezené hodnoty napětí koincidenčního okna budou registrovány, to znamená, že pouze v tomto případě vyšle modul SCA výstupní TTL pulz. Pro další zpracování (načítání) je potřeba opět překlopit TTL pulzy na NIM. Načítání se provádí modulem Dual Counter and Timer, z něhož putují data o počtu současných koincidencí za určitý čas do počítače. zpoždění TAC SCA detektory TTL/NIM start stop 10 V 0 V TTL/NIM PC counter Obrázek 3: Princip zapojení modulů TAC a SCA pro zjištění současných detekcí (koincidencí). 1.3 Osciloskop Zpracování jednofotonových událostí pomocí elektronických modulů je specializovaná detekční metoda. Pokud chceme změřit signál z ostatních detektorů, které převádí změnu optické intenzity na změnu elektrického napětí, stačí nám nějaké zařízení k tomu určené. Univerzální zařízení tohoto druhu je osciloskop - měřící přístroj pro zobrazení průběhů (periodických) elektrických signálů. Základem analogového (běžně již nepoužívaného) osciloskopu je vakuová obrazovka (obr. 4). Elektrony emitované ze žhavené katody jsou urychlovány a fokusovány v úzký svazek směřující na stínítko pokryté luminoforem, který generuje v místě dopadu svazku záblesk. Elektronový svazek je elektrostaticky směrován dvojicí vychylovacích elektrod X a Y. Na vychylovací desky ve směru Y přivádíme měřený signál, na X pilovité napětí z vnitřního generátoru zvaného časová základna. Sečtením obou složek vznikne na stínítku stopa měřeného průběhu (obr. 5). Paprsek při zpětném návratu ve směru X (pro pilovité 4
Y X katoda (zdroj e - ) Wehneltův válec (mřížka) (jas) 1. anoda (zaostřovací) 2. anoda (urychlovací) 3. anoda (urychlovací a sběrná) Obrázek 4: Schema osciloskopické obrazovky. napětí) je zatemněn na nulový jas. Aby se zobrazený průběh po stíníku vodorovně neposouval, je nutno synchronizovat periodu vnitřní časové základny s periodou měřeného průběhu. Synchronizace (trigger) je zpravidla odvozena z měřeného signálu (úroveň nebo hrana), pro zobrazení celé periody je proto nutno měřený signál zpozdit (chceme zobrazit průběh i kousek před synchronizační událostí). Stínítko osciloskopu je kalibrované, takže je možno odečítat (měřit) hodnoty v obou osách. Blokové schema osciloskopu je na obr. 6. Vícekanálové osciloskopy lze kromě normálního způsobu přepnout i do režimu X-Y, při kterém se na vodorovnou osu místo pilovitého napětí přivádí signál z některého vstupu. Tak je možné na stínítku kreslit libovolné uzavřené (zpětný běh není definován a proto nemůže být zatemněn) obrazce. Některé osciloskopy umožňují vzorkovací režim pro měření velmi vysokých frekvencí (obr. 7). Současné osciloskopy využívají digitální techniku - na vstupu obsahují přesné A/D převodníky (elektronický blok, do kterého přivádíme spojitý signál a na výstupu je číslo odpovídající okamžité hodnotě (napětí) vstupního signálu v diskretních okamžicích (vzorcích)). Dále se již pracuje s číselnými hodnotami se všemi výhodami z toho plynoucími, zejména je možno sledovat jednorázové průběhy, provádět různé matematické operace atd. Osciloskopy jsou charakterizovány nejrůznějšími parametry (např. vzorkovací frekvence), jejichž kvalita je zpravidla úměrná ceně. Při měření je zejména důležité nepřekročit povolené napětí na vstupech osciloskopu. 1.4 Spektrální analyzátor elektrických signálů Běžný periodický časový průběh signálu fyzikální veličiny s(t) = s(t T ) můžeme rozložit na součet harmonických funkcí (Fourierův rozklad) s(t) = C n e 2πjnfot ; f o = 1 T ; j2 = 1 n= Obecně komplexní koeficienty C n se vypočítají ze vztahu 5
pilovité napětí (X) měřený signál (Y) zpětný běh paprsku zatemněn Obrázek 5: Skládání signálů na obrazovce osciloskopu. C n = T/2 T/2 s(t)e 2πjnfot dt. Limita pro nekonečnou periodu T je Fourierova transformace (FT) (koeficienty C n přecházejí ve spojitou funci S(f) ), s(t) = S(f) = S(f)e 2πjft df, s(t)e 2πjft dt. Soubor hodnot C n (S(f), případně zde neuvedené diskretní verze DFT) nazýváme (fourierovským) spektrem. Spektrální analyzátor je potom měřící přístroj přímo zobrazující fourierovské spektrum vstupního signálu. Abychom dostali jeden bod amplitudy spektra funkce potřebujeme podle definice celý časový signál ořezat úzkopásmovým filtrem o jediné frekvenci a změřit amplitudu výsledku (úměrná střední nebo efektivní hodnotě) (obrázek 8). Pro získání celého spektra musíme mít přeladitelný kmitočtový filtr nebo sadu pevných filtrů pro více frekvencí, pracujících bud postupně nebo současně (postupné přelad ování znamená nutnost využít více zvolených period konečného nebo nekonečného periodického signálu). Přeladitelný úzkopásmový filtr se realizuje velmi těžce (pokud vůbec), a proto se spíše využívá heterodynní detekce (obr. 9), kdy se měřený signál směšuje na nelineárním prvku s harmonickým signálem z vnitřního přeladitelného generátoru. Dále se zpracovává jen 6
C1 DC dělič/ předzesilovač zpožďovací linka/y vertikální zesilovač/e Y1 Y2 EXT AC INT C1 INT C2 synchronizace dva kanály: -dvoupaprskový -přepínání průběhů po periodách (pomalé přepínání) po velmi krátkých úsecích signálu (rychlé přepínání) C2 dělič/ předzesilovač časová základna t-y X-Y (tohle schema umí X osu jen z C2, kdo chce, může si upravit) horizontální zesilovač X Obrázek 6: Blokové schema dvoukanálového analogového osciloskopu. signál s rozdílovým kmitočtem (resp. filtrem projde jen frekvence ze vstupu odpovídající součtu frekvence z generátoru a propustné frekvence filtru). Digitální spektrální analyzátory mohou používat číslicové filtry (digitální verze analogového principu), nebo mohou provádět přímý výpočet spektra z časového průběhu signálu pomocí diskrétní Fourierovy transformace (DFT) vypočtené s použitím zrychleného algoritmu rychlé Fourierovy transformace (FFT). Na rozdíl od ostatních způsobů, spektrální analyzátory s DFT výpočtem dokáží zpravidla zobrazit kromě běžné amplitudy (absolutní hodnoty) spektrální funkce i fázi spektra. Rychlou Fourierovou transformací disponují i některé digitální osciloskopy, avšak vzhledem k náročnosti výpočtu je tato funkce většinou pomalá (samotné spektrální analyzátory pro urychlení využívají speciální signálové procesory; i tak je obecně analogový způsob rychlejší). 7
nízkofrekvenční signál nesplňující podvzorkovací podmínku bude zobrazen stejně zobrazený průběh je složen z více period f vz >2*B B-šířka pásma Obrázek 7: Vzorkovací režim pro měření vysokých frekvencí. vstup filtr [úzko]pásmová propust demodulátor (U stř ) jedna hodnota spektra přeladitelný,přepínatelný nebo sada filtrů f 1, f 2, f 3... Obrázek 8: Získání hodnoty spektra kmitočtovou filtrací. f 1 f 2 f 3 s(t) předzesilovač f m X směšovač f 0 =f m -f g mezifrekvenční filtr f 0 f g (frekvence je dána okamžitým napětím pilového signálu) demodulátor výstupní zesilovač S(f) Y-souřadnice obrazovky napěťově řízený (rozmítaný) generátor harmonického signálu generátor pilového napětí f X-souřadnice obrazovky Obrázek 9: Analogový heterodynní spektrální analyzátor. 8