Development and Characterization of the Predictable Quantum Efficient Detector, and Its Applications in LED Photometry
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2017-09-01
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
72 + app. 72
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 151/2017
Abstract
Radiometry is the science of studying and measuring electromagnetic radiation. It has many uses ranging from industry applications to fundamental research. Recently, the Predictable Quantum Efficient Detector (PQED) was introduced as a convenient method to quantify radiant flux, i.e. optical power, in the visible wavelength range. The PQED enables absolute measurements with an uncertainty around 0.01% even at room temperature. The high quantum efficiency of the PQED is achieved with the use of custom-made photodiodes that are mounted into a trapping configuration. The PQEDs currently in use have photodiodes that have a thermally grown SiO2 layer on a p-type silicon substrate. Such detectors were characterized for spatial uniformity, reflectance, responsivity and dark current properties. The obtained results show that the PQED can serve as the primary standard of optical power and even has the potential to replace more expensive and cumbersome cryogenic radiometers in the visible wavelength range. A new type of PQED photodiode was developed, where atomic layer deposition is used to grow an Al2O3 layer on a n-type silicon substrate. Two sets of photodiodes with varying doping concentrations were manufactured. Their responsivity was modelled using a 3D model of the photodiode. A novel method to obtain input parameters for the modelling was developed. The n-type PQEDs were characterized similarly as the p-type detectors. Results indicated that the n-type PQED is a promising alternative for the p-type. Thus, the manufacturing of PQEDs is no longer dependent on the availability of particular materials and processing. The PQED can be used to calibrate conventional reference photometers. A new method for the realization of photometric units was developed, which exploits the PQED more directly. In the method, the PQED is used together with a precision aperture, but the traditionally used photometric filter is omitted. Instead, the photometric weighting is done numerically. The method is applicable to sources that emit only little light outside the visible wavelength range, such as white LED lamps. The main advantages of the new method are the reduced uncertainty and simplified traceability chain. In many of the applications, the PQED is used together with a precision aperture. A new method was developed to determine the area of an aperture that is mounted to the PQED – without dismantling the assembly. It exploits previously developed method where the aperture is scanned in front of a Gaussian laser beam and the light passing through is measured at with an integrating sphere. In the new method, PQED itself is used to measure the flux passing through the aperture. The diffraction properties of the PQED and aperture assembled were studied using numerical calculations. The results indicated negligible effects due to diffraction.Sähkömagneettisen säteilyn tutkimista ja mittaamista kutsutaan radiometriaksi. Sillä on monia sovelluksia teollisuudesta perustutkimukseen. Viime vuosina optisen tehon mittaamiseen näkyvällä aallonpituusalueella on kehitetty helppokäyttöinen ennustettava kvanttidetektori (eng. Predictable Quantum Efficient Detector, PQED), joka mahdollistaa säteilytehon mittaamisen 0.01 %:n tarkkuudella huoneenlämmössä. Ilmaisimen erikoisvalmisteiset valodiodit, jotka on asennettu heijastusta pienentävään rakenteeseen, mahdollistavat erinomaisen kvanttihyötysuhteen. Nykyään käytössä olevat PQED:t perustuvat valodiodeihin, joissa on lämpöoksidoitu kerros piidioksidia kevyesti seostetun p-tyypin piin päällä. Näiden laitteiden vaste, vasteen tasaisuus, heijastus sekä pimeävirtaominaisuudet määritettiin. Saatujen tulosten perusteella PQED:n todettiin soveltuvan säteilytehon primäärinormaaliksi. Samalla todettiin sen olevan varteenotettava ehdokas korvaamaan nykyisin käytössä olevat kryogeeniset radiometrit näkyvän valon aallonpituuksilla. Myös uudenlainen n-tyypin piihin perustuva PQED kehitettiin. Valodiodeissa on atomikasvatusmenetelmällä tuotettu alumiinioksidikerros n-tyypin piin päällä. Valodiodeja valmistettiin kaksi erää, joissa käytettiin eri seostuspitoisuuksia. Näiden vaste mallinnettiin kolmiulotteisella mallilla ja mallinnusparametrien määrittämiseen kehitettiin uusi menetelmä. N-tyypin PQED karakterisoitiin samalla tavoin kuin p-tyypin PQED:t. Tulosten perusteella uusi n-tyypin detektori on lupaava vaihtoehto p-tyypin rakenteelle. Täten PQED-ilmaisimien valmistus ei ole enää riippuvainen yhdestä tietystä materiaalista ja prosessista. PQED:ta voidaan soveltaa fotometriassa primäärinormaalina fotometrien kalibroinnissa. Fotometristen suureiden realisointiin kehitettiin myös uusi menetelmä, joka hyödyntään suoraan PQED:tä mittalaitteena. Menetelmässä PQED:tä käytetään tarkkuusapertuurin kanssa ilman fotometriassa perinteisesti käytettyjä suodattimia. Sen sijaan valolähteen spektri mitataan tarkasti ja fotometrinen painotus tehdään numeerisesti. Menetelmän suurimman edut ovat LED-lamppujen mittauksissa saavutettu pienempi epävarmuus ja suoraviivaisempi jäjitettävyysketju. Monissa sovelluksissa PQED:tä käytetään yhdessä apertuurin kanssa. Apertuurin pinta-alan määritykseen kehitettiin uusi menetelmä, joka ei vaadi apertuurin ja PQED:n irroittamista toisistaan. Pinta-alan määritys perustuu aikaisemmin kehitettyyn menetelmään, jossa apertuuria liikutetaan lasersäteen edessä ja läpimennyt säteilyteho mitataan monessa kohtaa. Uusi menetelmä käyttää säteilytehon mittaamiseen integroivan pallon sijaan PQED:tä itseään. Diffraktion vaikutusta menetelmän tarkkuuteen tutkittiin numeerisin menetelmin ja sen todettiin kasvattavan mittausepävarmuutta vain hyvin vähän.Description
Supervising professor
Ikonen, Erkki, Prof., Aalto University, Department of Signal Processing and Acoustics, FinlandThesis advisor
Manoocheri, Farshid, Dr., Aalto University, Department of Signal Processing and Acoustics, FinlandKeywords
radiometry, photometry, induced junction, primary standard, aperture area, radiometria, fotometria, primäärinormaali, kvanttidetektori, apertuurin pinta-ala
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Dönsberg T, Sildoja M, Manoocheri F, Merimaa M, Petroff L and Ikonen E “A primary standard of optical power based on induced-junction silicon photodiodes operated at room temperature” Metrologia 51 197–202 (2014).
DOI: 10.1088/0026-1394/51/3/197 View at publisher
-
[Publication 2]: Dönsberg T, Manoocheri F, Sildoja M, Juntunen M, Savin H, Tuovinen E, Ronkainen H, Prunnila M, Merimaa M, Tang C K, Gran J, Müller I, Werner L, Rougié B, Pons A, Šmíd M, Gál P, Lolli L, Brida G, Rastello M L and Ikonen E “Predictable quantum efficient detector based on n-type silicon photodiodes” Metrologia (in press).
DOI: 10.1088/1681-7575/aa85ed View at publisher
-
[Publication 3]: Dönsberg T, Pulli T, Poikonen T, Baumgartner H, Vaskuri A, Sildoja M, Manoocheri F, Kärhä P and Ikonen E ”New source and detector technology for the realization of photometric units” Metrologia 51 S276–S281 (2014).
DOI: 10.1088/0026-1394/51/6/S276 View at publisher
-
[Publication 4]: Dönsberg T, Mäntynen H and Ikonen E ”Optical aperture area determination for accurate illuminance and luminous efficacy measurements of LED lamps” Opt. Rev. 23 510–521 (2016).
DOI: 10.1007/s10043-016-0181-2 View at publisher