KR20130054388A - 다중 접합 검출기 시스템에 기반한 마이크로프로세서 및 그 이용방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광검출기 시스템에 관한 것이며, 이 시스템은 제 1 스펙트럼 범위 내에서 제 1 광 방사 요소로 조사될 때 제 1 전류를 생성하도록 구성되는 제 1 접합과, 상기 제 1 스펙트럼 범위와는 다른 범위인 제 2 스펙트럼 범위 내에서 제 2 광 방사 요소로 조사될 때 제 2 전류를 생성하도록 구성되는 적어도 제 2 접합을 갖는 다중 접합 광검출기를 포함한다. 상기 광검출 기 시스템은 또한 상기 제 1 전류에 기반한 상기 제 1 광 방사 요소의 제 1 특성에 관한 제 1 표시를 생성하며, 상기 제 2 전류에 기반한 상기 제 2 광 방사 요소의 제 2 특성에 관한 제 2 표시를 생성하는 마이크로프로세서를 포함한다.
Description
본 발명은 일반적으로 포토 또는 광학적 검출에 관련되며, 특히 다중 접합 탐지 시스템에 기반한 마이크로프로세서와 그 이용 방법에 관한 것이다.
포토다이오드는 오늘날 가장 널리 사용되는 광검출기이다. 현재 그것은 다양하게 응용되고 있으며 수많은 추가적인 응용들에 포함되어 있다. 일반적으로 포토다이오드는 광전 배증관에 콤팩트하고 강인하며 저렴한 대안을 제공하고 있다.
현재 포토다이오드는 뚜렷이 다른 여러 물질들로 제조되고 있는데, 각 물질은 전자기 스펙트럼의 정해진 범위 내에서의 민감성을 제공한다. 예컨대 실리콘 기반의 포토다이오드는 보통 약 180nm 내지 약1100nm의 파장을 갖는 신호로 조사될 때 의미있는 광전류를 생산한다. 반면에 게르마늄 기반의 포토다이오드는 대략 400nm에서 1700nm까지의 파장을 갖는 신호로 조사될 때 의미 있는 광전류를 생산한다. 이와 유사하게 인듐 갈륨 비소 기반의 포토다이오드는 일반적으로 대략 800nm에서 대략 2600nm까지의 파장을 갖는 신호들을 검출하는 데 이용되지만, 황화납 기반의 포토다이오드는 약 1000nm에서 약 3500nm에 이르는 파장을 갖는 신호들을 검출하는 데 이용된다.
더욱이 이들 장치들의 감응은 입사 신호의 파장에 따라 다양하다. 예컨대 실리콘 기반의 광검출기들은 대략 180nm에서 1100nm에 이르는 파장을 갖는 신호를 검출할 수 있지만, 가장 높은 감응은 약 850nm에서 약 1000nm이다. 이와 같이 넓은 스펙트럼 범위들의 수치는 통상 다중 광검출기들을 필요로 하며, 각각 다른 물질들로 제조되는 포토다이오드들을 이용하게 된다. 그렇기 때문에 다양한 물질들로 만들어지는 다중 광검출기들이 포함된 시스템은 꽤 크고 불필요하게 복잡할 수 있다.
그러므로 다양한 파장에서 높은 감응도로 입사 신호를 검출할 수 있는 다중 접합 검출기 시스템에 기반하는 마이크로프로세서에 대한 지속적인 필요성이 존재하는 것이다.
본 출원은 2010년 9월 5일에 출원한 미국 가출원 번호 61/380,249호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용은 본 명세서에 포함되어 있다.
본 발명의 일 국면은 광검출기 시스템에 관한 것이며, 이 시스템은 제 1 스펙트럼 범위 내에서 제 1 광 방사(optical radiation) 요소로 조사될 때 제 1 전류를 생성하도록 구성되는 제 1 접합과, 상기 제 1 스펙트럼 범위와는 다른 범위인 제 2 스펙트럼 범위 내에서 제 2 광 방사 요소로 조사될 때 제 2 전류를 생성하도록 구성되는 적어도 제 2 접합을 포함하는 다중 접합 광검출기 장치를 포함한다. 상기 광검출기 시스템은 또한 상기 제 1 전류에 기반한 상기 제 1 광 방사 요소의 제 1 특성에 관한 제 1 표시(indication)를 생성하며, 상기 제 2 전류에 기반한 상기 제 2 광 방사 요소의 제 2 특성에 관한 제 2 표시를 생성하는 마이크로프로세서를 포함한다.
본 발명의 다른 국면에 있어서, 상기 제 1 광 방사 요소의 상기 제 1 특성은 상기 제 1 광 방사 요소의 제 1 전력 레벨을 포함하며, 상기 제 2 광 방사 요소의 상기 제 2 특성은 상기 제 2 광 방사 요소의 제 2 전력 레벨을 포함한다. 본 발명의 또 다른 국면에 있어서, 상기 광검출기 시스템은 상기 제 1 전류에 기반한 제 1 아날로그 전압을 생성하는 제 1 장치(예를 들어 트랜스임피던스 증폭기, 전하 증폭기 등)를 포함하며, 제 2 전류에 기반한 제 2 아날로그 전압을 생성하는 적어도 제 2 장치(예를 들어 트랜스임피던스 증폭기, 전하 증폭기 등)를 포함한다.
본 발명의 또 다른 국면에 있어서, 상기 마이크로프로세서는 상기 제 1 트랜스임피던스 증폭기의 제 1 이득을 제어하며, 또한 상기 제 2 트랜스임피던스 증폭기의 제 2 이득을 제어한다. 본 발명의 다른 국면에 있어서 상기 마이크로프로세서는 상기 제 1 트랜스임피던스 증폭기의 상기 제 1 이득을 제어함으로써 상기 제 1 광방사 요소의 제 1 정의 고전력 레벨(a first defined high power level)에서 상기 제 1 트랜스임피던스 증폭기의 압축(compression)을 최소화하며, 또한 상기 제 2 트랜스임피던스 증폭기의 상기 제 2 이득을 제어함으로써 상기 제 2 광방사 요소의 제 2 정의 고전력 레벨에서 상기 제 2 트랜스임피던스 증폭기의 압축을 최소화한다. 본 발명의 또 다른 국면에 있어서, 상기 마이크로프로세서는 상기 제 1 트랜스임피던스 증폭기의 상기 제 1 이득을 제어함으로써 상기 제 1 광방사 요소의 제 1 정의 저전력 레벨에서 상기 제 1 트랜스임피던스 증폭기의 제 1 정의 민감도(a first defined sensitivity)를 달성하며, 또한 상기 제 2 트랜스임피던스 증폭기의 상기 제 2 이득을 제어함으로써 상기 제 2 광방사 요소의 제 2 정의 저전력 레벨에서 상기 제 2 트랜스임피던스 증폭기의 제 2 정의 민감도를 달성한다.
본 발명의 또 다른 국면에 있어서, 상기 광검출기 시스템은 상기 제 1 아날로그 전압을 제 1 디지털 전압으로 변환하고, 상기 제 아날로그 전압을 제 2 디지털 전압으로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터(analog-to-digital converter)를 더 포함한다. 본 발명의 다른 국면에 있어서 상기 광검출기 시스템은 상기 제 1 디지털 전압과 상기 제 2 디지털 전압을 출력으로 다중화하는 멀티플렉서를 더 포함하며, 상기 마이크로프로세서는 상기 멀티플렉서의 출력으로부터 상기 제 1 디지털 전압과 상기 제 2 디지털 전압을 수신한다.
본 발명의 또 다른 관점에 있어서, 상기 광검출기 시스템은 상기 마이크로프로세서와 1개 이상의 외부 장치들 사이의 정보 통신을 가능하게 하는 통신 장치를 더 포함한다. 또한, 마이크로프로세서는 상기 통신 장치에 의해서 1개 이상의 외부 장치들로 상기 제 1 전력 레벨 및 상기 제 2 전력 레벨 표시들에 관한 데이터를 제공한다. 또한, 상기 통신 장치는 범용 직렬 버스(USB) 포트를 포함한다. 더욱이 상기 통신 장치는 무선 통신 장치를 포함한다.
본 발명의 또 다른 관점에 있어서, 상기 광검출기 시스템은 1개 이상의 외부 장치들로의 전송을 위한 상기 제 1 아날로그 전압 및 상기 제 2 아날로그 전압을 출력하는 아날로그 인터페이스 커넥터를 포함한다. 또한, 상기 마이크로프로세서는 상기 아날로그 인터페이스 커넥터를 경유한 상기 제 1 아날로그 전압 및 상기 제 2 아날로그 전압의 출력을 가능하게 하거나 못하게 한다. 또한 상기 광검출기 시스템은 1개 이상의 외부 장치들로의 전송을 위한 상기 제 1 디지털 전압 및 제 2 디지털 전압을 출력하는 디지털 인터페이스 커넥터를 포함한다. 더욱이 상기 마이크로프로세서는 상기 디지털 인터페이스 커넥터를 경유한 상기 제 1 디지털 전압 및 제 2 디지털 전압의 출력을 가능하게 하거나 못하게 한다.
본 발명의 또 다른 관점에 있어서, 상기 광검출기 시스템은 상기 마이크로프로세서에 의해서 읽기 가능하며 실행가능하며 이하의 본 명세서에 기재된 다양한 작동들을 수행하는 1개 이상의 소프트웨어 모듈을 포함하는 메모리를 포함한다. 또한 상기 메모리는 상기 제 1 광방사 요소 및 제 2 광방사 요소의 상기 제 1 전력 레벨 및 제 2 전력 레벨의 상기 제 1 표시 및 제 2 표시에 각각 관련되는 데이터를 더 포함한다. 또한 광검출기 시스템은 상기 시스템의 다중 접합 광검출기, 트랜스임피던스 증폭기들, 아날로그 디지털 컨버터, 멀티플렉서, 마이크로프로세서, 메모리, 외부 장치 인터페이스(들)을 포함하는 다양한 컴포넌트들의 1개 이상을 감싸는 하우징을 포함한다. 또한, 상기 하우징은 상기 광검출기 시스템에 의해 광 방사를 수신하는 구멍을 포함한다.
한편, 본 발명의 신규한 특징들과 장점들은 첨부된 도면들과 함께 설명되는 하기의 상세한 설명으로부터 드러나게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 관점에 따른 마이크로프로세서 기반의 다중접합 광검출기 유닛의 일 예에 관한 정면 사시도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 관점에 따른 마이크로프로세서 기반의 다중접합 광검출기 유닛의 일 예에 관한 배면 사시도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 관점에 따른 마이크로프로세서 기반의 다중접합 광검출기 시스템의 일 예에 관한 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 관점에 따른 마이크로프로세서 기반의 다중접합 광검출기 시스템의 다른 예에 관한 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 관점에 따른 마이크로프로세서 기반의 다중접합 광검출기 시스템의 일 예에 있어서 트랜스임피던스 증폭기들의 각 이득을 측정하는 방법의 플로우 다이어그램 예를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 다른 관점에 따른 마이크로프로세서 기반의 다중접합 광검출기 시스템의 일 예에 있어서 전력-전압 반응을 결정하거나 측정하는 방법의 플로우 다이어그램 예를 나타낸다.
도 7은 석영 할로겐 램프(Quartz halogen lamp)에 적용할 때 실리콘 접합 및 게르마늄 접합 광검출기 시스템의 성능 테스트 결과를 그래픽하게 나타낸다.
도 8은 석영 할로겐 램프(Quartz halogen lamp)에 적용할 때 실리콘 접합 및 인듐갈륨비소(InGaAs) 접합 광검출기 시스템의 성능 테스트 결과를 그래픽하게 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 관점에 따른 마이크로프로세서 기반의 다중접합 광검출기 유닛의 일 예에 관한 배면 사시도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 관점에 따른 마이크로프로세서 기반의 다중접합 광검출기 시스템의 일 예에 관한 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 관점에 따른 마이크로프로세서 기반의 다중접합 광검출기 시스템의 다른 예에 관한 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 관점에 따른 마이크로프로세서 기반의 다중접합 광검출기 시스템의 일 예에 있어서 트랜스임피던스 증폭기들의 각 이득을 측정하는 방법의 플로우 다이어그램 예를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 다른 관점에 따른 마이크로프로세서 기반의 다중접합 광검출기 시스템의 일 예에 있어서 전력-전압 반응을 결정하거나 측정하는 방법의 플로우 다이어그램 예를 나타낸다.
도 7은 석영 할로겐 램프(Quartz halogen lamp)에 적용할 때 실리콘 접합 및 게르마늄 접합 광검출기 시스템의 성능 테스트 결과를 그래픽하게 나타낸다.
도 8은 석영 할로겐 램프(Quartz halogen lamp)에 적용할 때 실리콘 접합 및 인듐갈륨비소(InGaAs) 접합 광검출기 시스템의 성능 테스트 결과를 그래픽하게 나타낸다.
도 1 내지 3은 다중접합 검출기 시스템(10) 기반의 마이크로프로세서의 일 실시예의 다양한 도시를 나타낸다. 도면에 도시된 것처럼, 검출기 시스템(10)은 검출기 내부의 다양한 구성요소들을 보호하도록 구성되는 하우징(12)을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 하우징(12)은 알루미늄으로 구성된다. 또한 하우징(12)은 알루미늄, 스틸, 합금, 폴리머, 복합재료 등을 포함하여 임의의 다양한 물질이 선택적으로 이용될 수 있으며, 그 종류에 제한되는 것은 아니다. 또한 하우징(12)은 다양한 형태로 이루어질 수 있으며, 다양한 규격과 배치로 구성될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 하우징(12)은 그 내부에 다양한 전자 시스템이나 장치를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 하우징(12)의 내부에는 적어도 하나의 다중접합 광검출기(multi-junction photodetector; 14)를 포함한다. 더욱 상세하게는 상기 광검출기(14)는 제 1 스펙트럼 범위 내의 광방사로 조사될 때 제 1 광전류를 생성하도록 구성되는 제 1 접합을 포함하며, 제 2 스펙트럼 범위 내의 광 방사로 조사될 때 제 2 광전류를 생성하도록 구성되는 적어도 제 2 접합을 적어도 포함한다. 일 실시예에 있어서, 광검출기(14)는 실리콘 기반의 접합과 게르마늄 기반의 접합을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 상기 하우징(12) 내에 여러 가지 다중접합 광검출기(14)들이 위치할 수 있다. 또한 택일적으로 상기 광검출기(14)는 재료들(materials)의 종류 및/또는 개수를 포함하여 다중접합 반도체를 형성할 수 있다. 종래 기술의 단일 접합 장치들의 좁은 범위의 운용과는 달리, 그와 같은 다중접합 광검출기(14)는 본 발명에서 한 개의 장치로 확장된 범위의 운용을 가능하게 해준다. 광검출기(14)는 상기 하우징(14) 내에 형성된 적어도 한 개의 윈도우나 구멍(32)에 인접하여 위치될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 나타난 것처럼, 적어도 한 개의 트랜스임피던스 증폭기는 상기 광검출기(14)에 연결되거나 또는 전기적인 통신을 유지할 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 제 1 증폭기(15)는 상기 다중접합 광검출기(14)의 일 접합에 의해서 생성되는 상기 제 1 광전류를 수신하며 그것으로부터 제 1 증폭 전압(J1)을 생성하도록 구성된다. 이와 유사하게 제 2 증폭기(18)는 적어도 상기 다중접합 광검출기(14)의 다른 접합에 의해 생성되는 제 2 광전류를 수신하며 적어도 그것으로부터 제 2 증폭 전압(JN)을 생성하도록 구성된다. 예컨대 상기 제 1 증폭기(15)는 상기 광검출기(14)의 실리콘에 기반한 부분으로부터 광전류를 수신하며, 반면에 상기 제 2 증폭기(18)는 광검출기(14)의 게르마늄에 기반한 부분으로부터 광전류를 수신하도록 구성된다.
다시 도 1 내지 도 3에 참조하면, 적어도 하나의 아날로그 디지털 컨버터(20)(이하에서는 “A/D 컨버터”라 한다)가 상기 제 1 증폭기(15) 및 제 2 증폭기(18)와 통신한다. A/D 컨버터(20)는 상기 증폭기들(15, 18)로부터 아날로그 출력을 수신하며 그것에 반응하는 디지털 출력을 생성한다. A/D 컨버터(20)의 여러 개수와 종류가 현존하는 시스템에 이용될 수 있다. A/D 컨버터(20)의 디지털 출력은 상기 하우징(12) 내에 위치하는 적어도 하나의 마이크로프로세서(22)에 의해 처리된다. 상기 마이크로프로세서(22)는 그것과 연결되는 적어도 하나의 메모리 장치(24) 내로 다양한 정보, 장치 특성들, 장치 이력, 알고리즘, 공식, 데이터 라이브러리 등을 저장하도록 구성될 수 있다. 예컨대 마이크로프로세서(22)는 상기 제 1 증폭기(15) 및 제 2 증폭기(18)의 이득을 제어하고, 광검출기(14)의 보정을 가능하게 해주며, 광검출기(14)에 의해 측정된 광출력을 연산하고, 측정된 데이터 및/또는 장치 특성들을 저장하며, 그리고 다중접합 광검출기 시스템(10)과 컴퓨터와 같은 외부 장치들(미도시) 사이의 통신을 조정하도록 구성될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 나타난 바와 같이, 상기 검출기 시스템(10)은 임의 개수의 장치 인터페이스(26)들을 더 포함할 수 있으며, 이로써 검출기 시스템(10)이 1개 이상의 외부 장치(미도시)들과 결합하거나 통신할 수 있도록 해준다. 예컨대 도 2 및 도 3에 나타난 것처럼, 적어도 한 개의 디지털 인터페이스 커넥터(28)가 하우징(12) 위에 위치하거나 근접하여 위치할 수 있으며, 이로써 상기 검출기 장치(10)가 적어도 하나의 데이터 케이블을 통해서 외부 장치(이를테면 컴퓨터)에 결합되도록 할 수 있다. 바람직한 디지털 인터페이스 커넥터(28)는 USB 포트, 케이블 포트 등을 포함한다. 이와 대체되거나 또는 부가되는 경우의 상기 장치 인터페이스(26)는 대응하는 트랜스임피던스 증폭기(15, 18)로부터 아날로그 전압 J1 내지 JN을 출력하는 아날로그 인터페이스 커넥터(29)를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서는 장치 인터페이스(26)가 WiFi 안테나 또는 이와 유사한 장치와 같은 무선 통신 장치(30)를 포함할 수 있으며, 이로써 상기 광검출기 시스템(10)이 외부 장치(미도시)와 무선으로 통신할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 국면에 따라 마이크로프로세서 기반의 다중접합 광검출기 시스템(400)의 또 다른 예의 블록 다이어그램을 나타낸다. 상기 광검출기 시스템(400)은 다중접합 광검출기(402)를 포함하며, 그것은 뚜렷이 구별되는 파장들과 주파수 대역에서 각각 신호들을 검출하는 두 개 이상의 접합들을 갖는 단일 장치(예를 들면 반도체 칩이나 금형, 유기 폴리머 등)로서 구성될 수 있다. 예컨대 본 실시예에서 상기 다중접합 광검출기는 N개의 서로 다른 접합들을 포함할 수 있는데, 여기서 N은 2 이상의 정수이다. 이를테면 다중접합 광검출기(402)의 구별되는 접합들은 상이한 파장이나 스펙트럼 범위 λ1, λ2, λ3, … λN의 전자장 에너지 신호들에 조사될 때 전류 I1, I2. I3 … IN을 각각 생성할 수 있다. 그러므로 생성된 전류 I1, I2. I3 … IN은 각각 광검출기(402)에 조사되는 신호의 파장 λ1, λ2, λ3, … λN의 함수이다.
광검출기 시스템(400)은 복수의 트랜스임피던스 증폭기들(404-1에서 404-N)을 더 포함한다(N은 2이상의 정수이다). 본 실시예에서 복수의 트랜스임피던스 증폭기들(402-1. 402-2, 402-3, … 404-N)은 광검출기(402)의 상이한 접합들에 의해 생성된 전류(I1(λ1), I2(λ2), I3(λ3) … IN(λN))를 각각 아날로그 전압(VA1, VA2, VA3 … VAN)으로 변환한다.
광검출기 시스템(400)은 상기 트랜스임피던스 증폭기들(402-1. 402-2, 402-3, … 404-N)의 출력들로부터 상기 아날로그 전압(VA1, VA2, VA3 … VAN)을 각각 디지털 전압(VD1, VD2, VD3 … VDN)들로 변환하는 아날로그 디지털(A/D) 컨버터(408)를 더 포함한다. 또한, 상기 광검출기 시스템(400)은 단일 출력에 대해 상기 디지털 전압(VD1, VD2, VD3 … VDN)들을 멀티플렉싱하기 위한 멀티플렉서(408)를 포함한다. 멀티플렉서(408)의 출력은 마이크로프로세서(410)의 입력에 커플된다.
전술한 실시예와 유사하게, 상기 마이크로프로세서(410)는 다양한 정보, 장치 특성들, 장치 이력, 알고리즘, 공식, 데이터 라이브러리 등을 마이크로프로세서와 연결되는 적어도 하나의 메모리 장치(412) 내에 저장하도록 구성될 수 있다. 예컨대 상기 마이크로프로세서(400)는 트랜스임피던스 증폭기들(402-1 ~ 404-N)의 각각의 이득들(Z1~ZN)을 제어하고, 광검출기(402)의 보정을 보장하고, 상기 광검출기(402)에 의해 측정된 광출력(optical power)을 연산하며, 측정된 데이터 및/또는 장치 특징들을 저장하며, 그리고 상기 광검출기 시스템(400)과 외부 장치들 사이의 통신을 조정하도록 구성될 수 있다. 상기 광검출기 시스템(400)은 마이크로프로세서(410)와 관련되고 여기서 설명되어 있는 광검출기 시스템의 기능성에 따르는 하나 이상의 소프트웨어 모듈, 데이터 및 다른 파라미터들을 저장하는 메모리(412)를 또한 포함한다.
또한, 전술한 실시예와 유사하게, 상기 광검출기 시스템(400)은 외부 장치 인터페이스(414)를 포함한다. 외부 장치 인터페이스(414)는 디지털 인터페이스 커넥터(416), 아날로그 인터페이스 커넥터(418) 및 통신 장치(420)를 포함할 수 있으며, 이들 아이템의 하나 이상은 상기 마이크로프로세서(410)와 연결될 수 있다. 디지털 인터페이스 커넥터(416)는 상기 A/D 컨버터(406)의 출력으로부터 상기 디지털 전압(VD1~VDN)을 출력하도록 구성될 수 있다. 아날로그 인터페이스 커넥터(418)는 상기 트랜스임피던스 증폭기들(404-1 ~ 404-N)의 출력들로부터 각각 아날로그 전압들(VA1~VAN)을 각각 출력하도록 구성될 수 있다. 마이크로프로세서(410)는 상기 디지털 인터페이스 커넥터(416) 및 상기 아날로그 인터페이스 커넥터(418)에 의해 대응하는 신호들의 출력을 가능하게 하거나 그렇지 못하게 할 수 있다.
상기 통신 장치(420)는 마이크로프로세서(410)와 하나 이상의 외부 장치들 사이의 데이터 인터페이스를 제공한다. 예를 들면 통신 장치(420)를 통해서 마이크로프로세서(410)는 광검출기(402)에 조사되는 전자기적 신호의 전력 레벨, 광검출기(402)에 의해 생성되는 대응 전류들(I1(λ1) ~ IN(λ1N)), 디지털 전압들(VD1~VDN)에 관련한 정보 및 다른 관련 정보를 출력할 수 있다. 마이크로프로세서(410)는 전압들(VD1~VDN)을 상기 이득들(Z1~ZN)로 각각 나눔으로써 광검출기(402)에 의해 생성되는 상기 전류들(I1(λ1) ~ IN(λN))을 결정할 수 있음을 주목하라. 이와 유사하게 통신 장치(420)를 통해서 마이크로프로세서(410)는 소프트웨어 업데이트, 커맨드, 측정 파라미터 및 다른 정보를 하나 이상의 외부 장치들로부터 수신할 수 있다.
상기 광검출기 시스템(400)는 본 시스템의 다양한 구성요소들에 바이어스 전압들을 공급하기 위한 전원 장치(422)를 더 포함한다. 본 실시예에 있어서, 예컨대 전력 장치(422)는 다음을 생성할 수 있다: (1) 다중접합 광검출기(402)에 대한 바이어스 전압(VB1); (2) 트랜스임피던스 증폭기들(404-1 ~ 404-N)에 대한 바이어스 전압(VB2); (3) A/D 컨버터(406)를 위한 바이어스 전압(VB3); (4) 멀티플렉서(408)에 대한 바이어스 전압(VB4); (4) 메모리(412)에 대한 바이어스 전압(VB5); (5) 마이크로프로세서(410)에 대한 바이어스 전압(VB6); 및 (4) 외부 장치 인터페이스(414)에 대한 바이어스 전압(VB7). 비록 이들 전압이 다른 값으로 나타나더라도, 이들의 하나 이상은 같은 전압일 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 국면을 따라 바람직한 마이크로프로세서 기반의 다중접합 광검출기 시스템(400)에 관련한 트랜스 임피던스 증폭기들(404-1 ~404-N)의 각각의 이득들(Z1~ZN)을 보정하는(calibrating) 바람직한 방법(500)의 플로우 다이어그램을 나타낸다. 상기 이득들(Z1 ~ZN)은 예컨대 입력 신호의 낮은 전력 레벨에서 민감도를 개선하기 위해서, 그리고 입력 신호의 높은 전력 레벨에서 트랜스임피던스 증폭기들(404-1 ~ 404-N)의 압축을 막거나 최소화하기 위해서 보정될 수 있다. 설령 이득들(Z1~ZN)을 보정하기 위한 특별한 방법(500)이 여기서 설명되고 있더라도 상기 이득들은 다른 방법에 의해서도 보정될 수 있음을 이해해야 한다. 본 실시예에서 설명되는 작동(operations)의 적어도 한 부분이 마이크로프로세서(410) 및/또는 하나 이상의 외부 장치들의 도움으로 수행될 수 있다.
상기 방법(500)에 따르면, 마이크로프로세서(410)는 초기 변수 m과 n을 1로 설정한다(502 블록). 본 실시예에 있어서 변수 n은 특정 트랜스임피던스 증폭기(404-n)의 이득이 보정되고 있음을 나타내며, 변수 m은 광검출기(402)에 가해진 테스트 입력 신호의 파장 n(λ)에서 상이한 전력 레벨의 개수를 나타낸다. 다음으로 마이크로프로세서(410)는 보정되고 있는 현재의 트랜스임피던스 증폭기(404-n)에 대한 초기 이득(Zn)을 설정한다(504 블록). 다음으로 전력 레벨 Pmn 및 파장 λn으로 테스트 입력 신호가 상기 광검출기(402)에 가해진다(506 블록). 상기 마이크로프로세서(410)는 그때 상기 전력 레벨 Pmn에 대응하는 디지털 전압(Vmn)을 측정하고 저장한다(508 블록). 마이크로프로세서(410)는 상기 변수 m을 증가시킨다(510 블록).
512 블록에서, 상기 마이크로프로세서(410)가 변수 m이 M과 같은지를 판단하는데, M은 현재의 트랜스임피던스 증폭기(404-n)의 이득(Zn)을 보정하는 데 사용되는 파장 n에서의 테스트 입력 신호의 상이한 전력 레벨의 개수이다. 만일 m이 M과 동일하지 않다면, 이는 현재의 트랜스임피던스 증폭기(404-n)의 이득(Zn)을 보정하는 데 남아 있는 하나 이상의 전력 레벨이 여전히 존재함을 의미하며, 블록 506에서 블록 512까지의 오퍼레이션들이 다음 전력 레벨에 반복된다. 반면에, 만일 m이 M과 동일하다면, 이는 현재의 트랜스임피던스 증폭기(404-n)를 보정하기 위한 모든 입력 신호 전력 레벨들이 사용되었음을 뜻하며, 상기 마이크로프로세서(410)는 m=1에서 M까지에 대한 하나 이상의 측정된 전압(Vmn)에 기초한 현재의 트랜스임피던스 증폭기(404-n)에 대한 최종 또는 보정된 이득(Zn)을 설정한다(514 블록).
516 블록에 있어서 그런 다음 상기 마이크로프로세서(410)는 다음 트랜스임피던스 증폭기(404-n)에 대한 동일한 보정을 운용하기 위해서 상기 변수 n을 증가시킨다. 518 블록에서, 상기 마이크로프로세서(410)는 상기 변수 n이 보정된 트랜스임피던스 증폭기(404-1 ~ 404-n)의 개수인 N과 동일한지 여부를 판단한다. 만일 n이 N과 동일하지 않다면, 이는 보정될 하나 이상의 트랜스임피던스 증폭기들이 남아 있음을 의미하며, 블록 504에서 블록 518까지의 오퍼레이션들이 다음 트랜스임피던스 증폭기에 대해 반복된다. 반면에 n과 N이 동일하다면 이는 모든 트랜스임피던스 증폭기들이 이미 보정되었음을 의미하고, 상기 마이크로프로세서(410)가 상기 트랜스임피던스 증폭기들의 이득 보정을 종료할 수 있다(520 블록).
도 6은 본 발명의 또 다른 국면을 따라 바람직한 마이크로프로세서 기반의 다중접합 광검출기 시스템(400)에 관련한 전력 전압 반응(power-to-voltage response)을 결정하거나 보정하기 위한 바람직한 방법(600)의 플로우 다이어그램을 나타낸다. 본 방법(600)은 근본적으로 상기 광검출기 시스템(400)을 보정함으로써 정의된 허용범위(defined tolerance) 내에서 입력 신호의 전력 레벨의 측정을 생성할 수 있도록 한다. 광검출기 시스템(400)을 보정하는 특별한 방법(600)이 여기에서 설명된다고 하더라도, 그런 보정은 다른 방법들에 의해서도 달성될 수 있음을 알아야 한다. 본 실시예에서는 설명되는 오퍼레이션들의 적어도 한 부분이 상기 마이크로프로세서(410) 및/또는 하나 이상의 외부 장치들의 도움으로 수행될 수 있다.
상기 방법(600)에 다르면, 상기 마이크로프로세서(410)는 초기 변수 m과 n을 1로 설정한다(602 블록). 전술한 방법과 유사하게, 변수 n은 상기 광검출기 시스템(400)이 보정되고 있는 중의 주파수 대역 또는 파장(λn)을 나타낸다. 상기 변수 m은 상기 광검출기 시스템(400)이 보정되고 있는 중의 테스트 입력 신호의 파장 n(λn)에서의 상이한 전력 레벨들의 개수를 나타낸다. 다음으로 마이크로프로세서(410)는 상기 광검출기 시스템(400)이 보정되고 있는 중의 파장 n과 관련되는 상기 트랜스임피던스 증폭기(404-n)에 대한 최종 또는 보정된 이득(Zn)을 설정한다(604 블록). 다음으로 전력 레벨 Pmn과 파장 λn을 갖는 테스트 입력 신호가 상기 광검출기(402)에 가해진다(606 블록). 상기 마이크로프로세서(410)는 그런 다음에 상기 전력 레벨(Pmn)에 대응하는 디지털 전압(Vmn)을 측정하고 저장한다(608 블록). 그리고는 상기 마이크로프로세서(410)는 상기 변수 m을 증가시킨다(610 블록).
블록 612에 있어서, 상기 마이크로프로세서(410)는 상기 변수 m이 M과 동일한지 여부를 판단하는데, 여기서 M은 상기 광검출기 시스템(400)을 보정하는 데 사용되는 파장 n에서의 상기 테스트 입력 신호의 상이한 전력 레벨의 개수이다. 만일 m이 M과 동일하지 않다면, 이는 현재의 파장 n에서의 광검출기 시스템(400)을 보정하는 데 남아 있는 하나 이상의 전력 레벨이 여전히 존재함을 의미하며, 블록 606에서 블록 612까지의 오퍼레이션들이 다음 전력 레벨에 반복된다. 반면에, 만일 m이 M과 동일하다면, 이는 현재의 파장 n에서의 광검출기 시스템(400) 보정에 대한 모든 입력 신호 전력 레벨들이 사용되었음을 뜻하며, 상기 마이크로프로세서(410)는 대응하는 전력 레벨(Pmn), 디지털 전압(Vmn) 및 광검출기 전류(Imn)에 대한 테이블을 작성한다(614 블록). 상기 테이블이 모든 파장들(N)과 전력 레벨들(M)에 대해 완성될 때, 상기 마이크로프로세서(410)는 상기 광검출기 시스템(400)의 정상적인 작동 동안에 입력 신호의 전력 레벨에 대한 표시를 제공할 수 있다.
장치의 직접적인 응용은 출력 정전압에서 입력 전류를 측정하는 것이다. 이 경우 상기 마이크로프로세서는 각 증폭기에 대한 이득을 정전압 출력에 맞추게 될 것이다. 상이한 이득 단계들과 관련된 저항을 아는 것으로도, 입력 전류는 매우 정밀하게 결정될 수 있다.
616 블록에 있어서, 상기 마이크로프로세서(410)는 다음으로 변수 n을 증가시켜서 다음 파장 n에 대한 광검출기 시스템(400)의 동일한 보정을 운용하도록 한다. 618 블록에서 상기 마이크로프로세서(410)는 상기 변수 n이 N과 동일한지 여부를 판단하는데, N은 광검출기 시스템(400)이 보정되는 것에 대한 파장들의 개수를 뜻한다. 만일 n이 N과 동일하지 않다면 이는 광검출기 시스템을 보정함에 있어 하나 이상의 남아 있는 파장들이 여전히 존재함을 의미하며, 블록 604에서 블록 618까지의 오퍼레이션들이 다음 파장에 대해서 반복된다. 반면에, n과 N이 동일하다면 이는 광검출기 시스템(400)이 모든 파장들에 대해서 보정이 완료되었음을 의미하며, 상기 마이크로프로세서(410)는 광 검출기 시스템(400)의 보정을 종료할 수 있다(620 블록).
도 7 및 도 8은 석영 할로겐 램프로 불을 비출 때 본 명세서에서 설명된 광검출기 시스템의 성능 테스트 결과들을 그래픽하게 보여준다. 특히 도 7은 실리콘 및 게르마늄 다중접합 광검출기에 대한 파장 또는 주파수 반응을 나타낸다. 언급한 바와 같이, 광검출기의 실리콘 접합 부분은 상대적으로 낮은 파장(예컨대 대략 980 나노미터(nm) 근방)에서 개선된 감응도를 제공한다. 반면에 상기 광검출기의 게르마늄 접합 부분은 상대적으로 높은 파장(예컨대 대략 1200nm 근방)에서 개선된 감응도를 제공한다.
이와 유사하게 도 8은 실리콘 인듐 갈륨 비소 다중접합 광검출기에 대한 파장 또는 주파수 반응을 나타낸다. 앞서 논의한 바와 같이, 상기 광검출기의 실리콘 접합 부분은 상대적으로 낮은 파장(예컨대 대략 980nm)에서 개선된 감응도를 제공하지만, 이와 달리 광검출기의 인듐 갈륨 비소 접합 부분은 상대적으로 높은 파장(예컨대 대략 1180nm 근방)에서 개선된 감응도를 제공한다. 다중접합 광검출기에 사용되는 서로 다른 물질들에 기초하여, 광검출기에 대한 바람직한 광대역 반응이 달성될 수 있다.
본 발명은 다양한 실시예들에 따라 설명되었지만 본 발명에 대해 더 많은 수정이 이루어질 수 있을 것이다. 본 출원은 본 발명의 원리들이 일반적으로 가지고 오는 다양한 변형, 용도 또는 채용을 커버할 뿐만 아니라, 본 발명의 범위 내에서 이루어지는 이 기술분야에서의 공지 수준의 변화와 관용적인 수준의 변화를 특허범위로 포함한다.
Claims (21)
- 내부로 형성되는 적어도 하나의 구멍을 가지는 하우징;
상기 하우징 내에 위치하는 적어도 하나의 다중접합 광검출기 장치로서,
제 1 스펙트럼 범위 내에서 광 방사로 조사될 때 제 1 광전류를 생성하도록 구성되는 제 1 접합과 적어도 제 2 스펙트럼 범위 내에서 광 방사로 조사될 때 제 2 광전류를 생성하도록 구성되는 적어도 제 2 접합을 갖는 광검출기;
상기 하우징 내에 위치하며 상기 광검출기와 통신하는 제 1 트랜스임피던스 증폭기 및 적어도 제 2 트랜스임피던스 증폭기;
상기 하우징 내에 위치하며 상기 제 1 트랜스 임피던스 증폭기와 상기 제 2 트랜스 임피던스 증폭기와 통신하는 적어도 하나의 아날로그 디지털 컨버터;
상기 하우징 내에 위치하며 상기 아날로그 디지털 컨버터와 통신하는 적어도 하나의 마이크로프로세서;
상기 마이크로프로세서와 통신하는 적어도 하나의 메모리 장치;
상기 하우징 내에 위치하며 상기 마이크로프로세서와 통신하는 적어도 하나의 장치 인터페이스를 포함하는 광검출기 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 장치 인터페이스는 통신 장치를 포함하는 광검출기 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 장치 인터페이스는 무선 통신 장치를 포함하는 광검출기 시스템. - 광검출기 시스템으로서:
제 1 스펙트럼 범위 내에서 제 1 광방사 요소로 조사될 때 제 1 전류를 생성하도록 구성되는 제 1 접합; 및
상기 제 1 스펙트럼 범위와는 다른 범위인 제 2 스펙트럼 범위 내에서 제 2 광방사 요소로 조사될 때 제 2 전류를 생성하도록 구성되는 적어도 제 2 접합;
을 포함하는 다중접합 광검출기 장치; 및
상기 제 1 전류에 기반한 상기 제 1 광방사 요소의 제 1 특성에 관한 제 1 표시를 생성하며; 그리고
상기 제 2 전류에 기반한 상기 제 2 광방사 요소의 제 2 특성에 관한 제 2 표시를 생성하는;
마이크로프로세서를 포함하는, 광검출기 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 제 1 광방사 요소의 상기 제 1 특성은 상기 제 1 광방사 요소의 제 1 전력 레벨을 포함하는 광검출기 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 제 2 광방사 요소의 상기 제 2 특성은 상기 제 2 광방사 요소의 제 2 전력 레벨을 포함하는 광검출기 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 제 1 전류에 기반한 제 1 아날로그 전압을 생성하는 제 1 장치; 및
상기 제 2 전류에 기반한 제 2 아날로그 전압을 생성하는 제 2 장치를 포함하는 광검출기 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 마이크로프로세서는 상기 제 1 장치의 제 1 이득과 상기 제 2 장치의 제 2 이득을 제어하는 광검출기 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 마이크로프로세서가 상기 제 1 장치의 상기 제 1 이득을 제어함으로써 상기 제 1 광방사 요소의 제 1 정의 고전력 레벨(a first defined high power level)에서 상기 장치의 압축을 최소화하고, 또한 상기 제 2 장치의 상기 제 2 이득을 제어함으로써 상기 제 2 광방사 요소의 제 2 정의 고전력 레벨에서 상기 장치의 압축을 최소화하는 광검출기 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 마이크로프로세서가 상기 제 1 장치의 상기 제 1 이득을 제어함으로써 상기 제 1 광방사 요소의 제 1 정의 저전력 레벨에서 상기 제 1 장치에 대한 제 1 정의 민감도(a first defined sensitivity)를 달성하며, 또한 상기 제 2 장치의 상기 제 2 이득을 제어함으로써 상기 제 2 광방사 요소의 제 2 정의 저전력 레벨에서 상기 제 2 장치에 대한 제 2 정의 민감도를 달성하는 광검출기 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 제 1 아날로그 전압을 제 1 디지털 전압으로 변환하며, 또한 상기 제 2 아날로그 전압을 제 2 디지털 전압으로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터를 더 포함하는 광검출기 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 제 1 디지털 전압과 상기 제 2 디지털 전압을 출력으로 다중화하는 멀티플렉서를 더 포함하며, 상기 마이크로프로세서가 상기 멀티플렉서의 상기 출력으로부터 상기 제 1 디지털 전압과 상기 제 2 디지털 전압을 수신하는 광검출기 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 마이크로프로세서와 하나 이상의 외부 장치들 사이의 정보 통신을 가능하게 하는 통신 장치를 더 포함하는 광검출기 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 마이크로프로세서가 상기 통신 장치에 의해서 하나 이상의 외부 장치들로 상기 제 1 표시 및 상기 제 1 표시에 관한 데이터를 제공하는 광검출기 시스템. - 제7항에 있어서,
하나 이상의 외부 장치들로의 전송을 위한 상기 제 1 아날로그 전압 및 상기 제 2 아날로그 전압을 출력하는 아날로그 인터페이스 커넥터를 더 포함하는 광검출기 시스템. - 제15항에 있어서,
상기 마이크로프로세서가 상기 아날로그 인터페이스 커넥터를 경유한 상기 아날로그 전압 및 상기 제 2 아날로그 전압의 출력을 가능하게 하거나 못하게 하는 광검출기 시스템. - 제11항에 있어서,
하나 이상의 외부 장치들로의 전송을 위한 상기 제 1 디지털 전압 및 상기 제 2 디지털 전압을 출력하는 디지털 인터페이스 커넥터를 더 포함하는 광검출기 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 마이크로프로세서가 상기 디지털 인터페이스 커넥터를 경유한 상기 제 1 디지털 전압 및 상기 제 2 디지털 전압의 출력을 가능하게 하거나 못하게 하는 광검출기 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 마이크로프로세서에 의해서 읽기 가능하며 실행 가능한 하나 이상의 소프트웨어 모듈들을 포함하는 메모리를 더 포함하며, 상기 메모리는 상기 제 1 표시 및 상기 제 2 표시에 관한 데이터를 더 포함하는 광검출기 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 다중접합 광검출기 장치에 제 1 바이어스 전압을 공급하며, 상기 마이크로프로세서로 제 2 바이어스 전압을 공급하는 전력장치를 더 포함하는 광검출기 시스템. - 광검출기 시스템으로서:
제 1 스펙트럼 범위 내에서 제 1 광방사 요소로 조사될 때 제 1 전류를 생성하도록 구성되는 제 1 접합; 및
상기 제 1 스펙트럼 범위와는 다른 범위인 제 2 스펙트럼 범위 내에서 제 2 광방사 요소로 조사될 때 제 2 전류를 생성하도록 구성되는 적어도 제 2 접합;
을 포함하는 다중접합 광검출기 장치; 및
상기 제 1 전류에 기반한 상기 제 1 광방사 요소의 제 1 특성에 관한 제 1 표시를 생성하며; 그리고
상기 제 2 전류에 기반한 상기 제 2 광방사 요소의 제 2 특성에 관한 제 2 표시를 생성하는;
회로를 포함하는, 광검출기 시스템.
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