Kleiner Anstoß, große Wirkung. Lösen Sie ganz einfach eine Lawine aus!

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Wenn schon ein einzelnes Photon einen deutlichen Photostrom auslösen soll, dann kommen Avalanche Photodioden  (APDs) ins Spiel. Die Lawinen-Photodioden eigenen sich besonders zur Verbesserung der Empfindlichkeit! Ihre interne Verstärkung kann soweit erhöht werden, bis das Signal-Rausch-Verhältnis (signal to noise ratio: SNR) durch das sog. „Shot“-Rauschen limitiert wird. Das maximale Leistungsvermögen einer APD hängt daher hauptsächlich von der korrekten, optimal eingestellten, elektronischen Ansteuerung ab.

Beschaltung eines Detektors
Die einfachste Methode, einen Detektor zu nutzen, zeigt das Schaltbild in der folgenden Abbildung.
Der eigentlichen APD (blau) ist ein Transimpedanzverstärker TIA nachgeschaltet (schwarz), der den Eingangsstrom IAPD in eine proportional verstärkte Ausgangsspannung U_out wandelt. Der Rückkopplungswiderstand R_f dient dabei als Verstärkung des APD-Stroms: U_out =  R_f * I_APD

Warum APDs?
APDs werden immer dann eingesetzt, wenn der Rauschanteil des Verstärkers größer ist als das Eigenrauschen des Detektors. Dies tritt bei hohen Geschwindigkeiten  (MHz-Bereich) auf. Die Transimpedanz-Verstärkung ist dann durch die RC-Zeitkonstante limitiert. Das SNR eines APD-Verstärker-Moduls ist im Vergleich besser als das eines PIN-Detektor-Verstärker-Moduls.

Rauschfaktoren
Grundsätzlich wird die Qualität einer Photodiode auch nach ihrem Rauschverhalten beurteilt. Das Eigenrauschen der APD ist relativ gering. Ausschlaggebend für das Gesamtrauschen ist vielmehr die nachgeschaltete Verstärkung. Bei hohen Bandbreiten ist das Verstärkerrauschen gar die dominante Rauschquelle.
Um das Gesamtrauschen des Detektor-Verstärker-Moduls zu reduzieren, muss die Kapazität, die am Verstärker anliegt, so klein wie möglich gehalten werden.

APD-Receiver-Module –
Für ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis
Um diese Forderung zu erfüllen, wurden APD-Receiver-Module entwickelt. Alle Komponenten sind neben dem Halbleiter dicht beieinander auf einem Keramiksubstrat mit niedriger Kapazität untergebracht. Dies reduziert die Streukapazität und damit das Rauschen. Ganz nebenbei sind die Receiver-Module extrem kompakt – verglichen mit einer herkömmlichen APD und nachgeschaltetem Verstärker.

Das optimale APD-Receiver-Modul
Bislang haben wir vom Eigenrauschen der APD und dem Gesamtrauschen der Verstärkung gesprochen. Bei letzterem handelt es sich konkret um das sog. Johnson-Rauschen. Der Johnson-Störstrom sinkt bei größer werdendem Widerstand. So wird durch Erhöhen der Verstärkung (Vergrößerung des Rückkopplungswiderstands R_f) die Eingangsrauschdichte der Verstärkers verringert.

Das hört sich zunächst günstig an. Zu beachten ist jedoch, dass das Produkt aus Verstärkung n und Bandbreite B konstant bleibt:
n * B = const.

Mit höherer Verstärkung (größerem Widerstand Rf) sinkt neben der Eingangsrauschdichte auch die Bandbreite.

Das Diagramm zeigt den optimalen Zusammenhang zwischen Rauschen und Bandbreite, welcher mit den APD-Receiver-Modulen von LASER COMPONENTS realisiert werden (NEP: äquivalente Rauschleistung). Bei der Auswahl „Ihres“ Receiver-Moduls sollten Sie zunächst die Anforderungen an die Bandbreite abklären, bevor Sie eine Entscheidung bzgl. des korrekten Moduls treffen.

APD-Receiver-Modul H1 für die Sensorik
Die H1-Serie ist bspw. in einem 12-PIN TO-8-Gehäuse verbaut. Die Bauteile sind DC gekoppelt und verfügen über einen 50 Ohm Ausgang. Sie besitzen außerdem eine zweite Verstärkerstufe zur Signalinvertierung. Diese sorgt dafür, dass eine positive Spannung erzeugt wird und eine zusätzliche Spannungsverstärkung auftritt. Die Verstärkerstufe kann außerdem als Tiefpass-Filter verwendet werden, um Hochfrequenzrauschen zu reduzieren. Aufgrund der eingebauten Temperaturdiode kann der Nutzer temperaturbedingte Änderungen der Empfängerempfindlichkeit kompensieren, indem die Vorspannung variiert wird.

Spannungsquelle für APD-Receiver-Module
Das Receiver-Modul muss mit einer Hochspannung versorgt werden. Hierfür können bspw. die HV-Module von LASER COMPONENTS eingesetzt werden.

APD-Module für den sofortigen Einsatz
Wer keine Zeit für den Anschluss der Module hat, für den wurden die APD-Module entwickelt. In diese Module ist wirklich alles integriert. Sie benötigen nur noch eine 12 VDC Quelle sowie ein Triggersignal. Schon kann die erste Messung beginnen!

Hersteller:
LASER COMPONENTS Germany / Elektronikfertigung

Kontakt:

Ansprechpartner:	Winfried Reeb
Firma:	Laser Components Germany GmbH
Adresse:	Werner-von-Siemens-Str. 15
PLZ / Ort:	82140 Olching
Telefon:	+49 (0) 8142 2864-42
Fax:	+49 (0) 8142 2864-11
E-Mail:	winfried.reeb@lasercomponents.com

Ansprechpartner:	Dr. Mike Hodges
Firma:	Laser Components Germany GmbH
Adresse:	Werner-von-Siemens-Str. 15
PLZ / Ort:	82140 Olching
Telefon:	+49 (0) 8142 2864-50
Fax:	+49 (0) 8142 2864-11
E-Mail:	mike.hodges@lasercomponents.com