Propuesta de diseño de un detector de fotones individuales basado en un foto-diodo de avalancha en modo Geiger - Barranco Giles, Dalia (My University, 2023)
En este trabajo se describe la implementación de un detector de fotones individuales acoplado a una fibra óptica FC/PC, utilizando un foto-diodo de avalancha especializado para fotones individuales (SPAD, por sus siglas en inglés Single Photon Avalanche Diode) específicamente el modelo SAP500 de LASER COMPONENTS polarizándolo por arriba de su voltaje de ruptura de 125V, modo Geiger. Se detalla el diseño de la placa electrónica que incluye un circuito de extinción pasivo propuesto por el fabricante del SPAD, un control de temperatura PID y un convertidor DC-DC R12-150B de RECOM para convertir 12V a un rango de 92-200V con el fin polarizar al SPAD. Estos módulos son controlados utilizando un microcontrolador ATMEGA328P el cual tambien toma medidas de sensores. Este diseño basado en un microcontrolador permite reconfigurar al dispositivo mediante una computadora. El diseño de la placa electrónica se enfoca en disminuir el ruido al máximo agrupando los circuitos integrados por su función y su relación con otros componentes y se logró un ruido menor de 20mV. También se describe el diseño estructural para que todos los módulos (sistema de enfriamiento, elementos ópticos, sensores de temperatura y humedad, peltier, etc.) funcionen juntos dentro de una caja de aluminio. La caracterización se realizó uti- lizando un láser de 780nm y un time tagger para medir los tiempos de llegada de las detecciones. Se caracterizó el dispositivo desarrollado obteniendo las foto-cuentas (señal del detección de luz) y cuentas oscuras (ruido interno del SPAD) cambiando parámetros como voltaje de polarización del SPAD con y sin fibra óptica, temperatura objetivo en el SPAD con el control PID a un voltaje de polarización de 125V, etc. Con los datos obtenidos, se calculó la eficiencia cuántica y la responsividad de cuentas que cuantifican la sensibilidad del dispositivo desarrollado. Se observaron los efectos del tiempo muerto por debajo de los 10μs, que seria el tiempo después de una detección durante el cual se pierden cuentas. La mejor eficiencia cuántica registrada fue de 3.5% a un voltaje por encima del de ruptura de 2V. El sistema de enfriamiento se estabilizó a 5°C sin provocar condensación del vapor de agua en el aire. La responsividad de cuentas calculada con los datos obtenidos es mayor al de un detector de fotones común. En general, el diseño del SPAD implementado es un gran aporte a la rama de detectores de fotones. En México y Latinoamérica, aún no se ha explotado plenamente esta tecnología para implementar el dispositivo y caracterizarlo. El diseño es escalable y abierto a optimizaciones futuras con fines comerciales y/o para uso propio.
El principal objetivo de la presente tesis es desarrollar un detector de fotones individuales por medio de un foto-diodo de avalancha para fotones individuales o SPAD junto con todo lo que conlleva para detectar mayores foto-cuentas que un detector de luz convencional como el modelo DET36A2 de Thorlabs. Lo que se usará para implementar al SPAD será un control de temperatura PID por medio de una peltier, el circuito de extinción propuesto por el fabricante del SPAD SAP500 que usaremos y una fuente de alto voltaje. El diseño mecánico y eléctrico del sistema servirá para experimentar con futuras optimizaciones e incluso para cambiar el SPAD del sistema siempre y cuando tenga las mismas dimensiones que el modelo SAP500. Para comparar la mayor sensibilidad se harán pruebas de foto-detecciones con láser y foto-detecciones del ruido de fondo, se calculará la posible eficiencia cuántica, se obtendrá el tiempo muerto y se calculará la responsividad de cuentas para compararla con la responsividad del detector de luz basado en un foto-diodo convencional.
Keywords: Detector de fotones individuales; Modo Geiger; Fotodiodo de avalancha; Estadística de fotones; Fotomultiplicador; Time tagger; Implementación; PCB con componentes SMD; Control PID; Módulo peltier; Voltaje de ruptura; Polarización inversa; Cuentas oscuras; Eficiencia Cuántica; Tiempo muerto; Responsividad; Óptica cuántica; Circuito de extinción pasivo