Лавинные фотодиоды в системах волоконно-оптической термометрии

Современные технологии мониторинга температуры играют ключевую роль в различных областях, включая энергетический сектор, нефтегазовую промышленность, строительство и экологический мониторинг. В зависимости от особенностей конкретных задач могут применяться различные решения: инфракрасные и электронные термометры, тепловизионные камеры и т.д. Если вам нужна консультация по этому вопросу, свяжитесь с нашей командой. Мы предложим наиболее оптимальный вариант, подходящий под нужды вашего предприятия.

Одним из самых перспективных методов измерения температуры является волоконно-оптическая термометрия (Distributed temperature sensing, DTS). Эта технология позволяет осуществлять высокоточный и непрерывный мониторинг температуры по протяженности волоконно-оптических кабелей, что делает ее незаменимой для контроля состояния инфраструктуры и процессов в реальном времени.

Важным компонентом систем DTS являются лавинные фотодиоды (Avalanche photodiodes), или ЛФД. Именно они обеспечивают высокую чувствительность и скорость отклика на изменения температуры. Эти устройства способны эффективно преобразовывать оптические сигналы в электрические, что позволяет получать точные данные о температуре на расстояниях в 30 и более километров.

В данной статье мы рассмотрим применение фотодиодов в системах DTS, а также сравним различные типы лавинных фотодиодов.

Для преобразования света в электрический сигнал используются два основных типа устройств – PIN-фотодиоды и лавинные фотодиоды. Они имеют различные конструкции и принципы работы.

Лавинные фотодиоды (ЛФД) – это полупроводниковые приборы, которые преобразуют свет в электрический сигнал за счет фотоэффекта. Их можно рассматривать как высокочувствительные фотоприемники.

Они обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприемниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей (≲ 1 нВт).

Основными преимуществами лавинных фотодиодов в сравнении с PIN-фотодиодами являются:

• высокий уровень чувствительности;
• низкий показатель шумов;
• хорошие показатели быстродействия;
• широкополосность.

Так, широкополосность ЛФД проявляется в их способности регистрировать волны длиной от 400 до 1700 нм, что превосходит показатели PIN-фотодиодов. Для сравнения, кремниевые PIN-диоды работают в диапазоне от 400 до 1100 нм, что охватывает видимый и ближний инфракрасный спектр. PIN-фотодиоды из германия и арсенида галлия-индия имею диапазон 800-1600 нм и 1000-1650 нм, соответственно.

Скорость ответа у ЛФД ограничивается временем прохождения носителя заряда и постоянной времени RC. Лавинные диоды имеют ограничение по времени реагирования порядка нескольких десятых наносекунды. Достижимо время реакции менее 100 пикосекунд, что в несколько раз быстрее, чем у стандартных PIN-диодов.

Чем выше скорость реакции, тем выше пространственное разрешение диода. В случае систем термометрии это позволяет датчикам видеть локальные перегревы, которые выходят за допустимые пределы. Фотодиоды с низкой скоростью реакции – а значит, и с более низким разрешением – либо регистрируют незначительное отклонение на достаточно протяженном участке, либо вообще не регистрируют температурных изменений. В результате опасное повышение температуры или даже возгорание будет замечено слишком поздно.

Эти свойства лавинных фотодиодов особенно ценны для энергетики, нефтегазовой отрасли, химической промышленности, авиации и других отраслей. Системы DTS применяются для контроля температуры в высоковольтных трансформаторах и ЛЭП, в нефтяных и газовых скважинах, при химических процессах, а также для отслеживания температурных деформаций корпусов самолетов.

Фотодетекторы устанавливают в контрольно-измерительную аппаратуру, датчики ВОЛС, аппаратуру для кабельного телевидения. С их помощью осуществляют мониторинг систем, анализ поляризации.

Если говорить о применении фотодиодов в системах DTS, здесь очень важен быстрый отклик на изменение получаемой оптической мощности. Ниже кратко описан принцип работы данной системы и перечислены параметры, которые наиболее важны в подобного рода контрольно-измерительной аппаратуре.

Температура регистрируется вдоль оптической линии датчика, т.е. не точечно, а как непрерывный участок. Обычно системы DTS могут определять температуру с пространственным разрешением 1 м с точностью до ±1°C. Показатели могут измеряться на расстоянии более 30 км, а некоторые специализированные системы могут обеспечивать даже более точные пространственные разрешения. Тепловые изменения вдоль оптического волокна вызывают локальное изменение показателя преломления, что, в свою очередь, приводит к неупругому рассеянию света, распространяющегося по нему.

В основе принципа измерения лежит эффект Рамана – индийского физика, занимавшегося оптикой и акустикой. Во время путешествия из Лондона в Индию его заинтересовало, почему у Средиземного моря синий цвет. Тогда считалось, что вода просто отражает цвет неба, однако Рамана это объяснение не устроило. Позже он провел эксперименты, которые показали, что, когда свет попадает на молекулы вещества, большая часть света рассеивается без изменения своей длины волн. Это называется рассеянием Рэлея. Однако небольшая часть света рассеивается с изменением длины волны, что связано с колебаниями молекул вещества. Это явление назвали эффектом Рамана. За свое открытие ученый получил Нобелевскую премию по физике в 1930 году. Сегодня это явление используется для химического анализа, изучения состава и строения веществ, а также в системах волоконно-оптической термометрии.

Из-за нагревания или охлаждения меняются физические размеры волокна, а с ними локально меняются и характеристики светопропускания. В результате затухания света в кварцевых стеклянных волокнах посредством рассеивания можно определить местоположение внешнего физического эффекта, так что оптическое волокно может быть использовано в качестве линейного датчика.

Оптические волокна изготавливаются из легированного кварцевого стекла. Кварцевое стекло представляет собой форму диоксида кремния (SiO2) с аморфной твердой структурой. Тепловые эффекты вызывают колебания решетки внутри твердого тела. Когда свет падает на эти термически возбужденные молекулярные колебания, происходит взаимодействие между фотонами и электронами молекулы. В оптическом волокне происходит рассеяние света, также известное как комбинационное рассеяние. В отличие от падающего света, этот рассеянный свет претерпевает спектральный сдвиг на величину, эквивалентную резонансной частоте колебания решетки. Свет, рассеянный обратно от оптического волокна, содержит три различные спектральные доли:

• рэлеевское рассеяние с длиной волны используемого лазерного источника;
• компоненты линии Стокса от фотонов смещены в сторону большей длины волны (более низкой частоты);
• компоненты линии анти-Стокса с фотонами, смещенными в сторону более коротких длин волн (более высокой частоты), чем рэлеевское рассеяние.

Температура оказывает сильное влияние на интенсивность так называемой антистоксовой полосы, тогда как характеристики так называемой стоксовой полосы от температуры не зависят. Поэтому из соотношения интенсивностей антистоксового и стоксового света можно вывести локальную температуру оптического волокна.

Для корректного измерения нужны фотодиоды, работающие в диапазоне 1440-1700 нм.

Существует два основных типа лавинных фотодиодов – на основе германия и на основе арсенида галлия:

• Первый тип делают из германия. Он хорошо “видит” инфракрасное излучение (волны длиной вплоть до 1,7 мкм), но работает с небольшими помехами.
• Второй тип создают из арсенида галлия. Он видит чуть дальше в инфракрасном спектре (до 1,8 мкм) и работает чище, с меньшими помехами.

Современные версии детекторов из арсенида галлия делают многослойными, добавляя другие материалы для улучшения характеристик. Обычно они включают в себя фосфид индия в качестве подложки и второго слоя для создания гетероструктуры. Арсенид галлия-индия (InGaAs) имеет высокий коэффициент поглощения на длинах волн, обычно используемых в волоконно-оптических линиях связи. Поэтому для полного поглощения излучения достаточно даже микронных слоев InGaAs.

Эти материалы обеспечивают небольшие задержки и малые шумы, что позволяет получить устройства с полосой частот более 100 ГГц для простой InP/InGaAs системы и до 400 ГГц для InGaAs в гетероструктуре на кремнии. Таким образом, скорость передачи данных у таких устройств может превышать 10 Гбит/с.

Для распределенных датчиков важной характеристикой также является их пространственное разрешение, т.е. способность различать значение измеряемой величины в близко расположенных точках.

Обычно распределенный датчик реагирует на резкое изменение измеряемой величины вдоль волокна с некоторым размытием этого края на выходе. Рисунок, приведенный ниже, иллюстрирует разницу между фактической измеряемой величиной (сплошная линия) и той, которая обнаружена датчиком (пунктирная линия). Пространственное разрешение δz обычно определяется как расстояние, на котором значение датчика соответствует резкому переходу от 10 до 90% значения температуры оптоволокна.

Определение пространственного разрешения 10%–90% подходит для определения степени, в которой переход может быть воспроизведен на выходе датчика.

При выборе фотодиодов для систем волоконно-оптического измерения температуры нужно учитывать и другие параметры: доступность на рынке, широкополосность, зависимость параметров выходного сигнала от собственной температуры фотодиода и др. Однако важнейшими параметрами фотодиодов являются скорость реакции и, как следствие, пространственное разрешение.

При проектировании электроники мы нередко прибегаем к тестированию различных компонентов и концепций. Это нужно для оценки их работоспособности и выявления потенциальных проблем на ранних стадиях работы, когда нет уверенности в оптимальности выбранного подхода. Инженеры КЕДР Solutions готовы помочь в оценке реализуемости концепции и выборе оптимального технического решения.

Для тестирования лавинных фотодиодов была использована такая установка:

Список тестируемых фотодиодов приведен в таблице 1. Чтобы убедиться в достоверности результатов, в испытаниях применялось по пять пар образцов каждой модели.

Импульсы света в оптоволокне генерировались с помощью импульсного лазера VENUS VFLS-1550-M-PL. В тестировании использовались импульсы с длиной волны 1550 нм длительностью в 1 наносекунду.

Перед проведением эксперимента термокамеры 2 и 3 были включены и поддерживали заданную температуру (+45℃ и +70℃, соответственно) длительное время. Термокамера 1, в которой находилась плата фотоприемников, поддерживала температуру +25℃ в течение 30 минут перед началом испытаний для установления рабочих условий.

За счет эффекта Рамана свет в оптоволокне вынужденно претерпевает обратное рассеяние. Фильтр Рамана разделяет спектр отраженного света на стоксовую и антистоксовую полосы, которые регистрируются парой фотодиодов. Сигнал с фотодиодов усиливается несколькими каскадами с помощью операционных усилителей. Выходной сигнал с операционных усилителей попадает на осциллограф.

В ходе тестирования измерялось время перехода электрического сигнала с 10% до 90% от величины сигнала перехода. Затем это время переводилось в пространственное разрешение сенсора. Температурное разрешение измерялось как минимальное изменение температуры оптоволокна, которое влечет за собой изменение значения на выходе датчика. На основе этих данных рассчитывалось среднее квадратичное отклонение (СКО) измеряемой температуры. Для измерений использовались времена усреднения 10 с, 60 с и 600 с.

В таблице 2 приведены результаты сравнения температурного разрешения тестируемых ЛФД на длине 1 км и 8 км.

Также были произведены расчеты пространственного разрешения для ЛФД. Результаты обработки приведены в таблице 3.

Наконец, было рассчитано СКО измеряемой температуры у тестируемых фотодиодов на длине 8 км и 1 км для 600 и 60 секунд:

В ходе тестирования наиболее оптимальные результаты показал фотодиод APD-10-LC типа InGaAs (арсенид галлия-индия). У него лучшее пространственное разрешение и неплохое температурное разрешение. Также для него на производстве наносится точное значение напряжения смещения, что упрощает самостоятельный подбор напряжения смещения и минимизирует риск повреждения элемента.