Tesis:
Design and development of near-infrared, visible and ultraviolet LIDAR echo emulator for HgCdTe avalanche photodiode characterisation
- Autor: RODRÍGUEZ CORTINA, Mónica
- Título: Design and development of near-infrared, visible and ultraviolet LIDAR echo emulator for HgCdTe avalanche photodiode characterisation
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: TECNOLOGIA FOTONICA Y BIOINGENIERIA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/69659/
- Director/a 1º: GEDAY, Morten Andreas
- Resumen: El trabajo de investigación realizado en el marco de esta tesis doctoral es el diseño y desarrollo de un emulador de ecos LIDAR en tres longitudes de onda diferentes. El trabajo ha sido principalmente experimental y se ha realizado en el grupo de Optoelectrónica y Nuevas Tecnologías (OPT) de ALTER TECHNOLOGY (ATN) en colaboración con el grupo de Fotónica Aplicada de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Se comienza realizando un estudio de las tecnologías que ofrecen un resultado similar a un emulador de ecos LIDAR en la literatura como puede ser los generadores de pulsos ópticos. También, se participa en la última fase de desarrollo del emulador de ecos LIDAR en el rango de infrarrojo cercano (NIR-LEE) desarrollado por OPT-ATN, calibrando el sistema para cumplir los requisitos de potencia impuestos. Una vez entregado el sistema a AIRBUS, se usó en la caracterización de los fotodiodos de avalancha de HgCdTe (MCT APD) existentes. Este emulador será el que se tome de referencia para la realización de esta tesis ya que es la tecnología que mejores prestaciones presenta tras realizar un exhaustivo estudio. Al mismo tiempo nació el proyecto europeo H2020 llamado HOLDON (Optimización de MCT APD para la detección LIDAR de gases de efecto invernadero) en el cual ATN participa como socio. El proyecto HOLDON nació en parte gracias a los resultados satisfactorios obtenidos en la caracterización de los MCT APDs existentes usando el NIR-LEE. El principal objetivo del proyecto es desarrollar y demostrar una cadena de detección LIDAR versátil, de alto rango dinámico y de alta sensibilidad, basada en la combinación de MCT-APD directamente hibridado con un circuito integrado de lectura CMOS de diseño personalizado (ROIC). Por tanto, también se realizó un estudio de ambas tecnologías, los sistemas LIDAR y los últimos desarrollos MCT APD. Una vez comenzado el proyecto HOLDON se buscó optimizar el NIR-LEE. Para ello, se utilizó una técnica de emulación basada en una línea de retardo que permitía emular múltiples pulsos al mismo tiempo con un rango dinámico entre ellos fijo o variable usando solo un sistema de generación de pulsos (ecos). Esto le permitió al nuevo “NIR-LEE” ahorrar en componentes ópticos, convirtiéndolo en un sistema más compacto y económico. Dicha técnica fue verificada y publicada. Para realizar la caracterización de la nueva cadena de detección LIDAR se diseñó y desarrollo un módulo capaz de emular múltiples ecos LIDAR en tres longitudes de onda, 1064 nm, 532nm y 355nm, siendo estas las longitudes de onda de referencia de los sistemas LIDARs espaciales. En el rango de infrarrojo cercano se optimizó el NIR-LEE utilizando la técnica de superposición de ecos mediante una línea de retardo. Posteriormente, se utilizó cristales no lineales para obtener el haz a 532 nm mediante la técnica de generación del segundo armónico partiendo del mismo laser usado en la etapa NIR. Se aplicó la técnica de emparejamiento de fases en un cristal no lineal birrefringente que consiste alinear los haces que interactúan con un ángulo concreto con respecto al eje óptico del cristal. También se verifico que la técnica superposición de ecos se podía aplicar en este rango (visible, VIR) modificando los componentes ópticos acordes a la nueva longitud de onda (532nm). Finalmente se utilizaron varias técnicas para obtener el haz a 355 nm partiendo de los dos haces ya obtenidos. Se obtuvieron resultados satisfactorios mediante la técnica de suma de generación de armónicos utilizando cristales no lineales periódicamente polarizados logrando así una coincidencia cuasifásica de interacciones no lineales. Finalmente, se verificó que se habían complido todos los requisitos de potencia de pico y forma de onda de ambos ecos impuestos por el rendimiento del módulo de detección hibridado MCT APD-CMOS ROIC. El artículo que describe el sistema está a la espera de la aceptación final del editor. El sistema completo junto con el software de control asociado fue integrado en un módulo para facilitar su transporte a las instalaciones donde se realizaría la caracterización de la nueva cadena de detección LIDAR. Desafortunadamente, está previsto llevar a cabo las campañas de medida en el primer trimestre del año 2022 siendo imposible incluirlas en la realización de esta tesis doctoral. ----------ABSTRACT---------- The research carried out in this PhD has been focused on the design and development of a LIDAR Echo Emulator (LEE) at three different wavelengths. The work has been mainly experimental and has been carried out at the Optoelectronics and New Technologies (OPT) group of ALTER TECHNOLOGY (ATN) in collaboration with the Applied Photonics group of the Polytechnic University of Madrid. In the beginning of this PhD, a literature study of the optical pulse shapers (OPS) that offer a similar result to a LEE was carried out. The author participated in the last phase of development, i.e. the calibration, of a LEE in the near infrared range (NIR-LEE) developed by OPT-ATN. This system has been delivered to AIRBUS and is used in the characterization of the existing HgCdTe avalanche photodiodes (MCT APD). This emulator was taken a starting reference for this thesis since it was concluded after conducting an exhaustive study, that this system was superior to any other alternative. At the same time, the European H2020 project HOLDON (Optimization of HgCdTe APD for the LIDAR detection of greenhouse gases) was started with ATN as a partner. The HOLDON project was born in part thanks to the satisfactory results obtained in the characterization of the existing MCT APDs using the NIR-LEE. The main objective of HOLDON is to develop and demonstrate a versatile, high dynamic range and high sensitivity LIDAR detection chain, based on the combination of MCT-APD directly hybridized with a custom designed CMOS reading integrated circuit (ROIC). Therefore, a study of both LIDAR systems and the latest MCT APD developments was carried out. Once the HOLDON project started, an improvement of the existing NIR-LEE was sought. For this, an emulation technique based on a delay line was developed. This allowed for multiple pulses to be emulated at the same time with a fixed or variable dynamic range between them using only a single pulse (echo) generation system. This new NIR-LEE is a more compact and economical system than its predecessor. This technique was validated, and the results have been published. To characterize the new LIDAR detection chain, a module capable of emulating multiple LIDAR echoes at three reference wavelengths (1064 nm, 532nm and 355nm) was developed. In the near infrared range, the NIR-LEE was optimized using the overlapping echoes technique using an optical delay line. Subsequently, non-linear crystals were used to obtain the beam at 532 nm by means of the second harmonic generation (SHG) technique starting from the same laser used in the NIR stage. The overlapping echoes technique was applied in this range (visible, VIS) by modifying the optical components according to the new wavelength (532nm). Finally, several techniques were used to obtain the beam at 355 nm starting from the two beams already obtained. Satisfactory results were obtained through the sum frequency generation (SFG) technique using periodically poled nonlinear crystals. The NIR-VIS-UV LEE was validated, and the peak power and waveform requirements of the echoes are suitable for the characterisation of the MCT APD-CMOS ROIC hybridized detection module. The paper describing the system is awaiting a final acceptance from the editor. The complete system together with the associated control software was integrated into a module to facilitate its transport to the facilities where the characterization of the new LIDAR detection chain would be carried out. The testing has been postponed to the first quarter of 2022, making it impossible to include them in the realization of this PhD.