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、広帯域ノイズなどに分類されます。しかし、これはあくまで大まかな分類に過ぎません。そこで今回は、ノイズの特性と分類についてより詳細に解説し、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けるように解説します。ノイズの発生源を理解することによってのみ、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るのです。

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。特に光電効果では、光子が感光性部品に衝突して電子を生成する際に、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大きさに依存しないため、ホワイトノイズとも呼ばれます。数式による説明：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: ダークカレント

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。これはフォトディテクタの最前端における固有のノイズであり、暗電流が大きいほどフォトディテクタのノイズも大きくなります。暗電流はフォトダイオードのバイアス動作電圧にも影響され、バイアス動作電圧が大きいほど暗電流も大きくなります。しかし、バイアス動作電圧はフォトディテクタの接合容量にも影響し、それによってフォトディテクタの速度と帯域幅にも影響します。さらに、バイアス電圧が大きいほど、速度と帯域幅も大きくなります。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適切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（フリッカーノイズとも呼ばれる）は、主に低周波数帯域で発生し、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、高周波数帯域では低周波数帯域に比べてパワースペクトル密度が著しく小さく、周波数が100倍になるごとにスペクトル密度ノイズは直線的に10分の1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ます。つまり、次のようになります。

その中で：

SI(f) : ノイズパワースペクトル密度

I：現在

f: 周波数

1/fノイズは低周波数帯域で顕著であり、周波数が高くなるにつれて弱まります。この特性により、低周波数アプリケーションでは主要な干渉源となります。1/fノイズと広帯域ノイズは、主にフォトディテクタ内部の演算増幅器の電圧ノイズに起因します。フォトディテクタのノイズに影響を与えるノイズ源は他にも多数あり、演算増幅器の電源ノイズ、電流ノイズ、演算増幅器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. オペアンプの電圧ノイズと電流ノイズ：電圧と電流のスペクトル密度を次の図に示します。

演算増幅器回路では、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+ はソース内部抵抗 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。したがって、電源の RS が大きい場合、電流ノイズから変換される電圧ノイズも非常に大きくなります。そのため、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となります。電流ノイズのスペクトル密度は周波数変化によっても変化しません。したがって、回路で増幅された後、フォトダイオードの暗電流と同様に、フォトディテクタのショットノイズを総合的に形成します。

4. 演算増幅器回路の利得（増幅率）に対する抵抗ネットワークの熱雑音は、次の式を用いて計算できます。

その中で：

k：ボルツマン定数（1.38 × 10⁻²³ J/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係し、そのスペクトルは平坦です。式からわかるように、ゲイン抵抗値が大きいほど熱雑音も大きくなります。帯域幅が大き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ゲイン要件と帯域幅要件の両方を満たし、最終的に低雑音または高信号対雑音比も要求されるようにするには、ゲイン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および評価し、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

ノイズ低減技術は、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。高精度化は低ノイズ化を意味します。技術の進歩に伴い、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。