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高速フォトディテクタ![]()
DET36A2 Biased Si Detector Application Idea DET Series Detector Attached to a 30 mm Cage System Using the Included SM1 Coupler and an SM1T2 Adapter DET10D2 Biased InGaAs Detector Related Items ![]() Please Wait 動作回路図
特長
当社のバイアス型フォトディテクタは、UV域から中赤外域(150 nm ~2.6 µm)の波長範囲をカバーする11種類のモデルからお選びいただけます。 薄型筺体なので、光ディテクタを狭い領域にも挿入して使うことができます。各モデルは、丈夫なアルミニウム製筺体に高速PINフォトダイオードとバイアス電池が内蔵されています。当社のバイアスディテクタはベンチトップ型フォトダイオード増幅器およびPMTトランスインピーダンスアンプとお使いいただけます。 これらのディテクタは広帯域のDC結合出力により、高速パルスレーザやDC光源のモニタリングに適しています。 側面パネルにあるBNCには、フォトダイオードのアノード電流が直接出力されます。この出力は、終端抵抗を使って正の電圧へと簡単に変換できます。高速の信号を調べる際には、50 Ωの負荷抵抗器をご使用いただくことをお勧めしています。低帯域幅の用途では、可変ターミネータまたはスタブ型ターミネータをお使いいただくと測定電圧への迅速な調整が可能です。下記のディテクタは増幅器や利得機能を内蔵していませんので、一般にPDAシリーズのような増幅器の付いたディテクタよりも高速に動作します。利得機能やフィルタ切り替え機能などが必要な用途には、増幅ディテクタPDAシリーズをお勧めいたします。 ![]() Click to Enlarge DET10D2の赤色のバッテリーテストボタン DETシリーズのディテクタでは、コネクタと制御部は全て光路からは外れて設置されているので、光学系などへの組み込みも簡単です。ディテクタ部にはSM05内ネジ、SM1外ネジがネジ切りされています。DETの筐体には取り外しが可能なマウント(SM1T1)が付属しており、Ø25 mm~Ø25.4 mm(Ø1インチ)のフィルタやレンズなどの光学素子を受光面の中心軸上に取り付けることができます。ケージシステム部品やレンズチューブシステムに接続したり、Ø12 mm~Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)の光学ポストに取り付けることも可能です。DET10C(/M)およびDET20C(/M)を除き、M4と#8-32のどちらの規格にも使えるタップ穴が付いた新しい筐体を採用しています。DET10C/MおよびDET20C/MにはM4タップ穴(インチ規格製品のDET10CおよびDET20Cには#8-32タップ穴)がついています。これらのユニットの取付け位置や取付け方法については「筐体の特長」ならびに「取付けオプション」タブをご覧ください。 DETシリーズには、12 VDCのバッテリA23が内蔵されています。 筐体には、赤いバッテリーテストボタン(左図参照)が付いています。このボタンを押すと、外部負荷全体にバッテリの電圧が加えられます。 高いZ負荷に対しては、このボタンを押すことによってBNC経由でバッテリの電圧がBNCを通じて出力され、バッテリを取り外すことなく、交換時期にあるかどうかを判断することができます。インラインの電流制限抵抗によって、50 Ωの負荷抵抗器に接続したままバッテリの試験を行っても、すぐに損傷を与えることはありません。 メーカによって正極にわずかに物理的なバラツキがありますので、当社のDETシリーズ フォトディテクタにはEnergizer®のバッテリの使用をお勧めしています。 バッテリは低ノイズな電源なので、逆バイアス印加に使用されています。 バッテリの寿命が問題となる用途では、バッテリの代わりに電源アダプターキットDET1Bをご使用いただくことができます。追加の電池およびDET1Bは下記にご用意しております。 なお、ディテクタの検出部のエッジ部分の不均一性により、不要な静電容量や抵抗が生じることがあり、その結果、フォトダイオードからの出力に対する時間ドメインの応答が歪む場合があるので、その点にはご注意ください。 このような現象を防ぐためにも、フォトダイオードへの光が検出部の中心にしっかりと入射するように調整いただくことをお勧めしています。 筐体のSM1ネジにより、検出素子の前に、Ø25.4 mm(Ø1インチ)集光レンズやピンホールを取り付けることができます。 また、波長400~1700 nm用の自由空間光用高速ディテクタおよび高速光ファイバ用ディテクタもご用意しています。 ![]() Click to Enlarge すべてのディテクタの筐体には赤いバッテリーチェック用のボタンが付いています。こちらの写真はDET10D2です。 ![]() Click to Enlarge 各ディテクタにはSM05内ネジが1個とSM1外ネジ1個が付いており、SM1内ネジ付きアダプタSM1T1と固定リングSM1RRが付属しています。 DETシリーズの筐体の特長当社の高速ディテクタは薄型の設計です。筐体にはSM05内ネジとSM1外ネジが付いています。すべてのディテクタにはSM1内ネジ付きアダプタSM1T1と固定リングSM1RRが付属します。 また、これらのディテクタは、ほとんどのSM1ネジ付きファイバーアダプタに対応します。 ディテクタ筐体の取付け用ネジ穴を選択することで、ユニットは水平方向にも垂直方向にも取り付けることができます。そのため、電源ケーブルとBNCケーブルを上から、もしくは光路に沿って接続することが可能です。DET10C(/M)およびDET20C(/M)を除き、M4と#8-32のどちらの規格にも使えるタップ穴が付いた新しい筐体を採用しています。この設計では、背面パネルにはフォトダイオードの応答曲線も刻印されています。DET10C/MおよびDET20C/MにはM4タップ穴(インチ規格製品のDET10CおよびDET20Cには#8-32タップ穴)がついています(下表をご覧ください)。取付け方法に関する詳細については「取付けオプション」タブをご覧ください。 出力電圧信号BNCメス型推奨終端抵抗50 Ω。最大出力は各ディテクタの図面を参照ください。 電池の寿命電池駆動のフォトディテクタを使う場合には、電池の寿命とそれがディテクタの駆動に与える影響を理解することが重要です。 電流出力デバイスとして、フォトディテクタの出力電流は、ディテクタに入射する光に比例します。 殆どの場合、終端抵抗を用いてこの電流を電圧へと変換します。 抵抗値は回路の利得とほぼ等しくなります。 DET08シリーズのような高速ディテクタでは、標準同軸ケーブルのインピーダンスを整合してケーブルの反射を減らし、全体的な信号の性能を向上させるために50 Ω終端抵抗を使うことが大切です。 多くの広帯域オシロスコープには、この終端抵抗が装備されています。 電池の使用寿命は、ディテクタによって使われる電流に直接関連します。 多くの電池製造メーカは、mAhで電池寿命を示しています。 例えば、ディテクタに付属の電池を190 mA hrsとして、これは、1.0 mAの電流で190時間動作します。 この電池を例として用い、以下に使用方法による電池寿命の算定方法について説明します。 この例では、平均光出力1 mWで波長780 nmの光源をディテクタに入力しています。 この波長での感度曲線に基づいたバイアス型フォトディテクタの感度は、0.5 A/Wとなります。光電流は次のように計算されます。 電池の定格寿命が190 mA hrの場合、電池の寿命は次のようになります。 あるいは、16日の連続使用となります。 平均入射光を10 µWまで減らすと、同じ電池は連続使用で約4年間もちます。 推奨されている50 Ω終端抵抗を使うと、光電流0.5 mAは次の電圧に変換されます。 入射パワーレベルを40 µWまで減らすと、出力電圧は1 mVになります。 いくつかの測定装置では、この信号レベルは低すぎるので、電池寿命と測定確度の間で妥協を行なう必要があります。 バイアス型フォトディテクタを電池で駆動する場合、最小電圧レベルが必要であることを念頭において、できるだけ低い光強度を使うことが望ましいです。 また、電池は寿命が近付いても、すぐに電流が止まるわけではありません。 その代わり、電池の電圧が下がり、そして、フォトダイオードに印加されている電圧は減少します。 これにより、ディテクタの応答時間が長くなります(ディテクタの帯域幅が小さくなります)。 従って、ディテクタを特定のパラメータ内で動作させるために、電池が十分な電圧を有していることが重要です(ディテクタのマニュアル内「Troubleshooting」の章をご参照ください)。 電圧は、マルチメータを用いて確認することができます。 また、センサに入射している光を取り除いたり、出力を弱めたりすることでも電池の寿命は延びます。 光源がないと、フォトディテクタは暗電流に比例した電流を消費しますが、この電流は微小です。 DETシリーズのフォトダイオードが連続して比較的高パワーの光を照射される場合や電池を変えられない場合、アダプタDET1Bと電源(下記参照)をお使いください。 このオプションの欠点は、AC電源電圧の雑音が出力信号の雑音に加わり、測定がより不確かになる可能性がある点です。 DETシリーズのバイアス型フォトディテクタの筺体は、当社のTRシリーズのØ12 mm~Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)ポスト、レンズチューブ、ケージシステムの各製品と組み合わせて使用することができます。このように柔軟性の高い取付けオプションが存在するため、筐体を光学系に取り付ける方法は数多く考えられます。このタブでは、いくつかの一般的な取り付け方法について、写真とテキストを用いてご説明しています。また、取り付け方法についての個別のご相談も承っています。
TRシリーズのØ12 mmおよびØ12.7 mm(1/2インチ)ポストシステムDET10C/MとDET20C/Mを除くすべてのDETシリーズの筐体は、M4、#8-32の両方のネジに対応するユニバーサル規格のネジ穴を使用して、Ø12 mm~Ø12.7 mm(Ø1/2インチのポストに対して水平にも垂直にも取り付けることができます。DET10C/MとDET20C/Mには、ユニバーサル規格のネジ穴ではなくM4ネジ穴が2つ付いています。
レンズチューブシステムDETシリーズの筐体には取外し可能なØ25 mm~Ø25.4 mm用カプラ(SM1T1)が付属します。これを用いて、光学フィルタやレンズなど、Ø25 mm~Ø25.4 mm(Ø1インチ)光学素子を取り付けることができます。SM1T1に取り付けられる光学素子の最大厚さは2.8 mmです。厚さ2.8 mm以上のØ25 mm~Ø25.4 mm(Ø1インチ)光学素子を取り付ける際は、ディテクタの前面からSM1T1を取り外し、代わりにSM1シリーズのレンズチューブ(別売り)を取り付けてください。同じ方法でSM05シリーズのレンズチューブ(別売り)を取り付けると、Ø12 mm~Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)光学素子を厚さに関係なく取り付けることができます。 DETシリーズの筐体にあるSM1およびSM05ネジ穴によって、当社のSMレンズチューブシステムやアクセサリが取付け可能になっています。SMネジ付きアイリスとSMネジ対応の赤外域および可視域用のアライメントツールは、特に便利なアクセサリです。また、コネクタ付きファイバと一緒にご使用いただける光ファイバーアダプタも提供しております。 ケージシステムDETフォトディテクタの筐体をケージプレートに装着する最も簡単な方法は、DETの前面に装着されているSM1T1を取り外し、SM1外ネジを使用することです。このSM1外ネジには、30 mmケージプレートCP02(/M)などのケージプレートを直接取り付けることができます。その際は、SM1T1に付属している固定リングをスパナレンチでCP02/M内部にねじ込み、CP02/Mが適切な位置で固定され、フォトディテクタの筐体とも適切な配置となるようにしてください。 この方法でDETシリーズバイアス型フォトディテクタの筐体をケージプレートに装着した場合、アダプタを使う必要がなく、フォトダイオードをできるだけケージプレートの近くに配置できるという利点があります。これは光が発散する光学系では特に重要になります。また、当社ではSM05PDおよびSM1PDシリーズのフォトダイオードも販売しています。これらの製品ではダイオードがケージプレートの前面に一致するようにねじ込むことができますが、フォトダイオードへのバイアス電圧はありません。 DETシリーズのバイアス型フォトディテクタ筺体の取付け方向に更に自由度が求められる場合は、レンズチューブカプラSM1T2をご購入ください。この配列では、SM1T1はディテクタ上にありSM1T2はその中にねじこまれます。露出したSM1外ネジには十分な長さがあるため、ケージプレートCP02/Mに対してディテクタをどの方向にも向けることが可能で、その位置はST1T2の2つの固定リングの1つを使って固定できます。
写真にはありませんが、DETシリーズディテクタの筐体は別売りのSM05T2を用いて16 mmケージシステムにも接続できます。これを用いることによって、DETシリーズディテクタの筺体をケージプレートSP02に接続できます。 用途下の写真は、当社のパーツのみを用いて構築されたマイケルソン干渉計です。この使用例では、レンズチューブ、TRシリーズのポスト、ケージシステムを使って光学システムを簡単に構築できるということを示しています。 下の表は、可視域用マイケルソン干渉計のパーツ一覧です。
フォトダイオードのチュートリアル動作原理接合型フォトダイオードは、通常の信号ダイオードと似た動作をする部品ですが、接合半導体の空乏層が光を吸収すると、光電流を生成する性質があります。 フォトダイオードは、高速なリニアデバイスで、高量子効率を達成し、様々な異なる用途で利用することが可能です。 入射光の強度に応じた、出力電流レベルと受光感度を正確に把握することが必要とされます。 図1は、接合型フォトダイオードのモデル図で、基本的な部品が個別に図示されており、フォトダイオードの動作原理が説明されています。
フォトダイオード関連用語受光感度 動作モード(Photoconductive vs. Photovoltaic) Photoconductive Photovoltaic 暗電流 暗電流の量はフォトダイオードの材料や検出部の寸法によっても左右されます。ゲルマニウム製のデバイスでは暗電流は高くなり、それと比較するとシリコン製のデバイスは一般的には低い暗電流となります。下表では、いくつかのフォトダイオードに使用される材料の暗電流の量と共に、速度、感度とコストを比較しています。
接合静電容量 帯域幅と応答性
ノイズ等価電力 この数式において、S/Nは信号対雑音比、Δf はノイズの帯域幅で、入射エネルギ単位はW/cm2となっています。詳細は、当社のホワイトペーパ「NEP – Noise Equivalent Power」をご参照ください。 終端抵抗 フォトダイオードの種類によっては、負荷抵抗が応答速度に影響を与える場合があります。 最大帯域幅を得るには、50Ωの同軸ケーブルを使用して、ケーブルの反対側の終端部で50Ωの終端抵抗器の使用を推奨しています。 このようにすることで、ケーブルの特性インピーダンスとマッチングできて共鳴が最小化できます。 帯域幅が重要ではない特性の場合は、RLOADを増大させることで、所定の光レベルに対して電圧を増大させることができます。 終端部が不整合の場合、同軸ケーブルの長さが応答特性に対して大きな影響を与えます。したがってケーブルはできるだけ短くしておくことが推奨されます。 シャント抵抗 直列抵抗 一般的な動作回路
上図の回路はDETシリーズのディテクタをモデル化したものです。 ディテクタは、適用される入射光に対して線形の応答を生成するために逆バイアス状態になっています。 ここで生成された光電流の量は、入射光に依存し、負荷抵抗を出力端子に接続すると、波形をオシロスコープで確認することができます。 RCフィルタの機能は、出力に雑音を載せてしまう可能性のある供給電力からの高周波雑音のフィルタリングです。
高利得用途でアンプとともにフォトディテクタを使用できます。動作時には、PhotovoltaicまたはPhotoconductiveモードのいずれも選択可能です。この能動回路はいくつかの利点があります:
GBPは利得帯域幅積であり、接合静電容量CDは増幅器静電容量と利得静電容量との和です。 チョッパ入力周波数の影響光導電体は時定数以内では一定の応答となりますが、PbS、 PbSe、HgCdTe (MCT)、InAsSbなどのディテクタにおいては、1/fゆらぎ(チョッパ入力周波数が大きいほどゆらぎは小さくなる)を持つため、低い周波数の入力の場合は影響が大きくなります。 低いチョッパ入力周波数の場合は、ディテクタの受光感度は小さくなります。周波数応答や検出性能は下記の条件の場合において最大となります。 暗電流の温度特性と逆バイアス電圧特性いくつかの筐体付きディテクタについて、暗電流の温度特性と、逆バイアス電圧特性を測定しました。暗電流とは、以下に説明するように光が入射していないときのpn接合型フォトディテクタに流れる比較的小さい電流です。しかし用途によっては、温度の変動や逆バイアス電圧の変化による暗電流の変化を考慮しなければならない場合があります。バッテリをフォトダイオードの逆バイアス電圧用に使用した場合、バッテリが消耗するにつれて供給電圧が下がっていくため、逆バイアス電圧と暗電流の関係はとりわけ重要な場合があります。 最初の実験では、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、そしてインジウムガリウムヒ素(InGaAs)のバイアス型フォトダイオードについて、温度を10 °C~50 °Cで変化させて測定しました。次の実験では、同じディテクタを24 °Cに保ちながら、逆バイアス電圧を0~10 Vで変化させて測定しました。実験や測定の詳細については下記のMore [+]をクリックしてご覧ください。 pn接合型フォトダイオードの電流-電圧特性pn接合型フォトダイオードの電流-電圧特性は、順方向バイアスと逆方向バイアスの電圧でそれぞれ特徴があります。pn接合型フォトダイオードを動作させるときは逆バイアス電圧の領域で使用します。その場合、電圧はダイオードの順方向とは逆にかかります。筐体付きフォトダイオードの利便性の1つに、パッケージに内蔵されたバッテリにより逆バイアス電圧を供給できることがあります。逆バイアス型フォトダイオードに対して光が入射していないときには、電流が流れないのが理想です。 しかし実際にはフォトダイオードの半導体材料内部でのランダムプロセスにより、常に電流キャリア(電子と正孔)が生成され、それにより電流が発生します。このような電流の発生プロセスは、電子と正孔の光生成によるものではありません。それらの多くは半導体材料内部の熱エネルギによって発生します[[1]。この暗電流は一般には小さいですが、フォトダイオードに逆バイアスをかけ、かつ光が照射されていない状態でも存在します。暗電流の大きさはフォトダイオードの素材構成によって異なり、熱的なプロセスによる発生効率はディテクタのセンサーヘッドに使用される半導体の種類と結晶品質に依存します。暗電流は、フォトダイオードの温度上昇と、フォトダイオードに印加される逆バイアス電圧の増加に伴い、大きくなることが予測されます。 注意しなくてはならないのは、逆バイアス電圧がある閾値を超えるとフォトダイオードは降伏し、急激に大きい電流が流れてダイオードが恒久的に損傷する可能性があることです。この理由により当社のDETパッケージの多くには、バイアス電圧が閾値を超えるのを防ぐ電圧レギュレータが付属しています。 フォトダイオードに光が照射されると、入射光により発生した電流(光電流)が暗電流に重畳されます。光電流のキャリアは入射光子のエネルギによって生成されます。照射される光の強度がある閾値を超えると、光電流は暗電流よりも大きくなります。光電流が暗電流よりも大きい場合には、光電流の大きさは全電流を測定した後、暗電流を差し引くことによって求められます。一方、光電流が暗電流より小さい場合には、その検出は不可能です。そのため、フォトダイオードの暗電流は最小化するのが望ましいことになります。 [1] J. Liu, Photonic Devices. Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2005
下表は、当社のフォトダイオードおよびフォトコンダクタなどフォトディテクタの一覧です。 同一の列に記載されている型番の検出素子は同じです。 ![]()
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![]() ![]() Click to Enlarge バッテリーパックSBP12の分解図
交換用アルカリ電池A23およびT505 バッテリーパックSBP12 右の写真のとおり、新設計のSBP12の筐体にはA23が内蔵されています。2013年10月以降にSV2-FCまたはSIR5-FCをご購入の場合、もしくはSBP12をご購入の場合は、この筐体をすでにお持ちですので、その場合は、A23だけをご購入ください。 2013年9月以前にSV2-FCまたはSIR5-FCをご購入の場合は、2つのピンを折り曲げてバッテリーパックSBP12を電気的に接続させる必要があります。この手順はこの製品の仕様書をご参照ください。仕様書はこちらからダウンロードいただけます。 ![]() 電源アダプタDET1Bの取付け方法
DET1Aは、当社のDETシリーズのディテクタ用電源アダプタです。DET1Aには2.5 mmモノラルジャックが付いており、バッテリA23とバッテリーキャップに代えて、電源LDS9(別売り)をディテクタに接続して直接駆動することができます。 LDS9は9 Vの安定化電源で、リップル電圧は10 mV RMS未満です。この電源には、短絡とオーバーロードに対する保護用の電流リミット機能、LED表示付きのOn/Offスイッチ、AC入力電圧の切り替えスイッチ(100/230 VAC)が付いています。 電源セットDET1BはDET1AとLDS9のセットで、当社のDETシリーズのディテクタのバッテリの代わりにご使用可能です。ディテクタのバッテリーキャップとバッテリを付属のアダプタDET1Aと交換し、電源LDS9の2.5 mmモノラルプラグをアダプタに接続するだけでお使いいただけます。ご使用方法は、上の動画でもご覧になれます。 なお、電源LDS9で供給されるバイアス電圧は、ディテクタに標準装備のA23バッテリで供給される12 Vよりも低くなりますのでご注意ください。ノイズを最小に抑えるために、当社のフォトディテクタには電圧レギュレータが内蔵されていますが、これは入力電圧が最終的にディテクタに印加されるバイアス電圧より高いことを想定しています。そのため、最良の性能を得るには、ディテクタが必要とするバイアス電圧よりも高いバイアス電圧を供給できる場合にのみこの電源を使用することをお勧めします。供給する電圧が必要とする電圧よりも低いと、ディテクタの帯域幅が狭くなります。 ![]()
各ディスクには4つの凹み(前面に2つと背面に2つ)があるので、どちらの面からもスパナレンチSPW909またはSPW801を用いて締め付け可能です。このアダプタをSM1レンズチューブと遮光用途でお使いいただけるように、窪みはディスクを貫通していません。アダプタをご希望の位置に取り付けた後、固定リングSM1RRで位置固定します。
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