光検出器のノイズを低減する方法

光検出器のノイズを低減する方法

光検出器のノイズには、主に電流ノイズ、熱ノイズ、ショットノイズ、1/fノイズ、広帯域ノイズなどがあります。これらの分類は比較的大まかなものです。今回は、より詳細なノイズ特性と分類を紹介し、様々な種類のノイズが光検出器の出力信号に与える影響をより深く理解していただきます。ノイズの発生源を理解することでのみ、光検出器のノイズをより効果的に低減・改善し、システムの信号対雑音比を最適化することができます。

ショットノイズは、電荷キャリアの離散的な性質によって引き起こされるランダムな変動です。特に光電効果において、光子が感光性部品に衝突して電子を生成する際、これらの電子の生成はランダムであり、ポアソン分布に従います。ショットノイズのスペクトル特性は平坦で、周波数の振幅に依存しないため、ホワイトノイズとも呼ばれます。数学的記述：ショットノイズの二乗平均平方根（RMS）値は次のように表されます。

その中で：

e: 電子電荷（約1.6 × 10-19クーロン）

Idark: 暗電流

Δf: 帯域幅

ショットノイズは電流の大きさに比例し、すべての周波数で安定しています。式中のIdarkはフォトダイオードの暗電流を表しています。つまり、光がない場合、フォトダイオードには不要な暗電流ノイズが発生します。光検出器の最前端に固有のノイズであるため、暗電流が大きいほど、光検出器のノイズが大きくなります。暗電流はフォトダイオードのバイアス動作電圧の影響も受けます。つまり、バイアス動作電圧が大きいほど、暗電流が大きくなります。ただし、バイアス動作電圧は光検出器の接合容量にも影響を与え、光検出器の速度と帯域幅に影響を与えます。さらに、バイアス電圧が大きいほど、速度と帯域幅は大きくなります。したがって、フォトダイオードのショットノイズ、暗電流、帯域幅の性能に関しては、実際のプロジェクト要件に応じて合理的な設計を行う必要があります。

2. 1/fフリッカーノイズ

1/fノイズはフリッカーノイズとも呼ばれ、主に低周波領域で発生し、材料の欠陥や表面の清浄度などの要因に関連しています。スペクトル特性図から、高周波領域におけるパワースペクトル密度は低周波領域よりも大幅に小さく、周波数が100倍増加するごとにスペクトル密度ノイズは10倍ずつ直線的に減少することがわかります。1/fノイズのパワースペクトル密度は周波数に反比例し、次の式で表されます。

その中で：

SI(f) : ノイズパワースペクトル密度

I: 現在の

f: 周波数

1/fノイズは低周波領域で顕著であり、周波数が高くなるにつれて弱くなります。この特性により、低周波アプリケーションでは大きな干渉源となります。1/fノイズと広帯域ノイズは、主に光検出器内部のオペアンプの電圧ノイズに起因します。光検出器のノイズに影響を与えるノイズ源は他にも多く、例えばオペアンプの電源ノイズ、電流ノイズ、オペアンプ回路のゲインにおける抵抗ネットワークの熱ノイズなどが挙げられます。

3. オペアンプの電圧および電流ノイズ：電圧および電流スペクトル密度を次の図に示します。

オペアンプ回路では、電流ノイズは同相電流ノイズと反転電流ノイズに分けられます。同相電流ノイズi+は電源内部抵抗Rsを流れ、等価電圧ノイズu1= i+*Rsを生成します。反転電流ノイズI-はゲイン等価抵抗Rを流れ、等価電圧ノイズu2= I-*Rを生成します。そのため、電源のRSが大きい場合、電流ノイズから変換された電圧ノイズも非常に大きくなります。したがって、ノイズを最適化するには、電源ノイズ（内部抵抗を含む）も最適化の重要な方向性となります。電流ノイズのスペクトル密度は周波数の変化によっても変化しません。そのため、回路によって増幅された後、フォトダイオードの暗電流と同様に、総合的に光検出器のショットノイズを形成します。

4. オペアンプ回路のゲイン（増幅率）に対する抵抗ネットワークの熱雑音は、次の式で計算できます。

その中で：

k: ボルツマン定数 (1.38 × 10-23J/K)

T: 絶対温度（K）

R：抵抗（オーム）熱雑音は温度と抵抗値に関連しており、そのスペクトルは平坦です。式からわかるように、利得抵抗値が大きいほど熱雑音は大きくなります。帯域幅が広いほど、熱雑音も大きくなります。したがって、抵抗値と帯域幅値が利得要件と帯域幅要件の両方を満たし、最終的には低ノイズまたは高信号対雑音比も要求されるようにするには、利得抵抗の選択を実際のプロジェクト要件に基づいて慎重に検討・評価し、システムの理想的な信号対雑音比を実現する必要があります。

まとめ

ノイズ改善技術は、光検出器や電子機器の性能向上において重要な役割を果たします。高精度とは低ノイズを意味します。技術の高精度化が求められるにつれ、光検出器のノイズ、信号対雑音比、等価雑音電力に対する要求もますます高まっています。