【李家同】為台灣加油打氣專欄(211)單光子累崩光偵測器和飛時測距

張貼者:2020年7月9日 下午5:56台灣精密工程學會

量測距離當然是在精密工業中非常重要的,我在這裡要介紹我們台灣工程師所研發成功的一種飛時測距的設備,光達(LiDAR)也運用了這個原理。這種設備可以量測1公分(1公分等於1百分之一米)~1000公尺,誤差是1毫米(1毫米等於1千分之一米)。這種儀器是利用光的感測,其中有一個雷射二極體可以發射出光,也有一個光偵測器可以感測到光。

 如果我們想要知道某一個物體A距離我們多遠,我們可以利用雷射二極體發射一道光到物體上,假設光發射的時間點是T1,打到物體以後光反射回來,被光偵測器接收到的時間點是T2,由於光的速度是固定的,只要計算這個時間差,我們就可以知道A的距離。請看圖一,假設c是光速,距離D可以由公式D = c (T2T1) / 2計算得到。

圖一、飛時測距原理
時間差要怎麼偵測,是由一種叫做TDC (time to digital converter) 的電子線路來做到,請看圖二。

圖二、TDC

發射光的時候,是要先產生一個脈衝1到雷射二極體,當雷射二極體收到脈衝1時,就會發出光。當光偵測器接收到反射回來的光時,會產生脈衝2。由於光的速度非常快,脈衝1和脈衝2的時間差可能只有十億分之一秒 (10-9),如果沒有電子線路,人類不可能偵測出這個時間差。我們的儀器完全靠TDC的電子線路,而這種線路的量測反應是非常快的。也就是說,當光偵測器收到訊號以後,電子線路可以在1奈秒(1奈秒等於10億分之一秒)中算出距離。光的來回也是相當快的,所以我們可以說,我們的距離測量設備是即時(real time)的。另外為了偵測相當近(1公分)與相當遠(1000公尺)的距離,這個線路必須依賴相當高的設計經驗,確保線路在1公分到1000公尺間的任何距離都有足夠的精確度。

 有了這種量測時間差的電子線路還不夠,光偵測器一定要在收到光的千億分之一秒 (10-11) 內,把光轉換成電脈衝並送到TDC去,如果光偵測器的反應速度不夠快,也是會出問題的。最重要的是,我們的偵測器必須在微弱光時也能測量距離。比方說,汽車在黑暗中行走,遠方有一個身穿黑衣服的行人,這時候由行人反射回來的光非常微弱,我們也希望光偵測器能夠偵測到,這種極靈敏的光偵測器,稱為單光子累崩光偵測器 (SPAD),所謂單光子,乃是因為我們可以說即使1個光子碰到了我們的光偵測器,我們的光偵測器也能有所反應。為了瞭解SPAD,我們首先看一般的光偵測器,請看圖三。

圖三、一般光偵測器原理

這種一般的光偵測器裡面有某種矽材料,這種矽材料接收到光子以後,光子的能量會使得電子離開矽原子,原本電子的位置就留下一個空洞。由於外加了一個電壓,這個電子會往正極方向加速。這種光偵測器的問題是,如果光很微弱,光子的數量少,電流就會比較小,因此很難被偵測到。

 單光子累崩光偵測器的原理如圖四,這種光偵測器的特點是它極為靈敏,它能夠偵測到非常微弱的光。

如圖四中所示我們將兩端施加的電壓提高,當一個光子進入矽材料,產生出一個電子時,這個電子會被電場加速,電壓越高,電子速度就越快,能量也越高。當能量夠高的電子撞擊原子時,會產生出第二個電子,接著這兩個電子可能再產生兩個電子,如此會有四個電子,進而發生連鎖反應,產生出大量的電子,這時候的電流就會非常大,能夠很輕易的被電路偵測到。

 

圖四、單光子累崩光偵測器原理

這種單光子累崩光偵測器,可以只用非常少的光子,就產生出大量的電子。但是當這種連鎖反應太激烈,產生太多電子時,光偵測器會崩潰,高電流致使元件燒毀。要克服這個問題,我們的工程師有兩個重要的技術。

(1)負責電流偵測的電子線路會在電流超過一個門檻時,迅速讓施加在光偵測器兩端的電壓下降。只要電壓下降,連鎖反應就會停止下來,就可以避免光偵測器崩潰。這個線路也是我們工程師自己設計的。 

(2)光偵測器也是一個半導體,對於這個半導體的形狀、結構、耐壓等要特別的設計,以避免高電場造成元件的毀損。但是一般的半導體製程並不一定能製作出這樣的光偵測器。這些工程師除了必須對半導體製程非常了解,知道很多半導體製程之間的各種規定。最後,他們終於能夠利用半導體製造廠商所提供的製程,做出了他們自己所需要的光偵測器。 

我國的研究人員和工程師,已經做出了這種反應速度達到千億分之一秒的光偵測器,並且可以偵測到強度只有1個皮瓦(1皮瓦等於1兆分之一瓦)的光。要達到這樣高的規格,他們必須對電子線路和半導體製程的各種規矩都十分了解。 

這種光偵測器,只有先進國家才有,但是這些國家很多大的電子公司都有自己的半導體製造工廠。我國的這些工程師面對的困難是他們沒有自己的半導體製造工廠,他們必須使用別人的工廠,因此沒有辦法自由的改變半導體製程的步驟和元件的設計方式。雖然如此,他們還是努力的鑽研,花了整整十年的功夫,才成功做出了這種高靈敏的光偵測器,也設計出極精密的電子線路,可以運用在商業用途上,值得大家給予他們鼓勵。而這個光偵測器除了他們目前使用的測距設備及光達應用上,在國外更被使用在設計精密的檢查儀器上,如核磁共振影像儀、拉曼頻譜儀、螢光生命週期顯微影像系統等。相信他們累積能量後也能往這方面前進。

 

        相信大家都知道,這種設備是很難設計的。單單光偵測器的自製設計就是這家公司獨有的,也是經過長時間研究發展出來的。我們應該慶幸我們的工程師有機會埋頭苦幹,做這個充滿挑戰性的研究,也應該鼓勵我們的年輕人都學習他們的榜樣。




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