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Caratterizzazione del Rivelatore LED – SPAD

Nel precedente post Il LED come Rivelatore a Singolo Fotone abbiamo descritto come un semplice LED può essere utilizzato come rivelatore a singolo fotone (SPAD), ora proviamo a farne una caratterizzazione tecnica.

Strumentazione

Per la verifica del funzionamento del LED come rivelatore a singolo fotone abbiamo utilizzato una “dark box”, si tratta di una scatola a tenuta di luce nella quale abbiamo posto il rivelatore ed una sorgente di luce a LED controllabile dall’esterno mediante un potenziometro (decritta in Sorgente Luminosa a LED a Bassa Intensità). Nella immagine sotto vediamo la sorgente di luce a LED, sulla sinistra, e lo SPAD, realizzato con il led rosso, sulla destra. Lo SPAD è stato utilizzato con quenching attivo.

Nella immagine sotto si vede tutto il setup sperimentale : la dark box con SPAD e sorgente luminosa, il driver per generare la tensione di bias dello SPAD (descritto in Alimentazione Regolabile per SiPM), il counter che ha la funzione di contare gli impulsi generati dal rivelatore (descritto in Photon Counter basato su PSoC), per misurare l’intensità luminosa viene utilizzato un multimetro che misura l’intensità di corrente sul LED.

Lo schema mostrato sotto descrive il circuito che abbiamo utilizzato per il pilotaggio del LED. Con un Op Amp si è in pratica realizzato un generatore di correte costante pilotato con un potenziometro. Attraverso la caduta di tensione sul resistore da 1KΩ si può misurare la corrente che attraversa il diodo LED e di conseguenza l’intensità della emissione luminosa.

Lo schema sotto mostra il circuito utilizzato per la generazione della tensione di polarizzazione dello SPAD. Abbiamo utilizzato lo step-up voltage converter MAX5026 che fornisce una tensione stabilizzata di 34V con basso rumore. Questa tensione viene usata per alimentare un op amp il quale fornisce poi in uscita la tensione richiesta, ulteriormente livellata attraverso due capacità di filtro.

Immagine del generatore della tensione di polarizzazione dello SPAD.

Misure

Tensione di Bias e Dark Counts

La prima misura è stata quella della tensione di polarizzazione dello SPAD-LED. Abbiamo visto che al di sotto dei 22,5V non si manifestava nessuna scarica, a partire dai 22,5 V il LED comincia a comportarsi come un dispositivo SPAD, producendo impulsi in presenza di luce e, in misura minore, anche in assenza. Si tratta dei cosiddetti “dark counts“, questi sono eventi innescati non da fotoni ma causati dal rumore termico sempre presente. Sono indistinguibili da reali eventi causati da fotoni e quindi vanno, per quanto possibile, limitati al minimo. Questi conteggi dipendono dalla tensione di polarizzazione e dalla temperatura del dispositivo. Nel nostro caso abbiamo visto che i valori di Vbd vanno compresi tra 22,5 e 23 V, al di sopra i dark counts aumentano esponenzialmente, come mostrato nel grafico seguente.

Linearità nella risposta dello SPAD

Dopo aver individuata la tensione di polarizzazione ottima abbiamo valutato la risposta del nostro SPAD a valori diversi di intensità luminosa in modo da capire la risposta del rivelatore e soprattutto la sua linearità. Per questa misura abbiamo utilizzato il driver per LED descritto sopra. I risultati sono buoni, il rivelatore si dimostra essere in grado di raggiungere agevolmente gli 80-100 KHz di counting rate. La linearità è buona fino a 30-40 KHz, al di sopra di questo valore però i conteggi non salgono più linearmente probabilmente a causa di fenomeni di saturazione nel rivelatore.

Conteggio Fotoni e statistica

Successivamente abbiamo esaminato le fluttuazioni dei conteggi mantenendo fisse le condizioni esterne come la tensione di polarizzazione e l’intensità della luce. I dati sono mostrati nei due grafici seguenti. Il primo ha un tempo di conteggio di 100 msec, il secondo 10 msec. Questi dati mostrano un buon “fitting” con una distribuzione gaussiana, il secondo grafico segue chiaramente una statistica di Poisson, poiché il numero di occorrenze per bin è inferiore.

Esiste un modo più significativo per testare la distribuzione poissoniana di questi impulsi. Possiamo infatti esaminare la distribuzione degli intervalli di tempo tra impulsi successivi. Disegnando un istogramma del numero di occorrenze rispetto al tempo tra gli impulsi, si ottengono i dati mostrati nel grafico seguente. Si noti che i dati sono tracciati su una scala logaritmica / lineare. La relazione esponenziale tra il numero di occorrenze e l’intervallo di tempo è un chiaro indice della distribuzione di Poisson.

Riferimenti

AAPT Advance Lab

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