УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СЛАБЫХ ОПТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2008 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к области регистрации слабых оптических сигналов ближнего инфракрасного диапазона спектра, передающихся через оптические волоконные линии связи.

Из уровня техники в данной области известно устройство для регистрации слабых оптических сигналов инфракрасного (ИК) диапазона спектра, передающихся через оптические волоконные линии связи (см. описание однофотонного модуля ближнего ИК-диапазона id201 фирмы idQuantique, Швейцария, http://www.idquantique.com/). Устройство для регистрации слабых оптических импульсов содержит программный блок, внутренний счетчик, выходы которых соединены с входами блока управления, выходы последнего соединены с входами генератора внутренних импульсов для запуска строб-импульса, с входами формирователя задержки строб-импульса, двумя входами генератора строб-импульса, с входом формирователя амплитуды строб-импульса, с входом компьютера и входом лавинного фотодиода, входной буфер импульсов для запуска строб-импульса, выход которого соединен с входом контроллера полярности импульса для запуска строб-импульса, выход контроллера соединен с входом смесителя внутренних и внешних импульсов для запуска строб-импульса, при этом выход генератора внутренних импульсов для запуска строб-импульса соединен с входом смесителя внутренних и внешних импульсов для запуска строб-импульса, выход смесителя соединен с входом формирователя задержки строб-импульса, выход формирователя соединен с входом генератора строб-импульса, выход генератора соединен с входом формирователя амплитуды строб-импульса, выход которого подключен к лавинному фотодиоду, и формирователь выходных импульсов.

К принципиальным недостаткам известного устройства можно отнести наличие паразитных отсчетов. Такие отсчеты вызваны не регистрацией однофотонных световых сигналов, а переходными процессами, связанными с дифференцированием фронтов и спадов строб-импульсов, а также темновыми импульсами лавинного фотодиода.

Лавинный фотодиод (ЛФД), регистрирующий приход однофотонного светового импульса, работает в гейгеровском режиме, когда напряжение смещения на диоде устанавливается ниже порогового. Непосредственно перед приходом однофотонного светового сигнала, например импульса света, на ЛФД подается строб-импульс, так что на время, равное длительности строб-импульса, напряжение смещения оказывается больше порогового. Тем самым, ЛФД переходит в режим, когда фотон света, преобразовавшись в фотоэлектрон, может вызвать на выходе импульс напряжения за счет генерации электронной лавины. После окончания строб-импульса напряжение смещения опять оказывается ниже порогового, и ЛФД выходит из режима лавинной генерации. Импульс напряжения на ЛФД после усиления является выходным сигналом устройства. Число импульсов в единицу времени подсчитывается счетчиком и характеризует интенсивность светового сигнала.

Однако импульс на выходе ЛФД может появиться не в результате светового сигнала, а в силу одной из следующих причин:

1. Генерация лавины в ЛФД за счет термических электронов, число которых пропорционально температуре ЛФД.

2. Генерация лавины за счет высвобождения электронов из ловушек от предыдущей лавины.

3. Наличие всплесков напряжения за счет внутренней емкости ЛФД - дифференцирования строб-импульса.

Перечисленные причины приводят к паразитным импульсам, которые регистрируются устройством, но которые не связаны непосредственно со входным оптическим сигналом.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в полном или частичном подавлении нежелательных электрических импульсов, вызванных электронной лавиной, образовавшихся за счет паразитных емкостей ЛФД и монтажной схемы, вызванных техническими шумами и возникающих при освобождении зарядов ловушек в ЛФД.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве блок управления выполнен с дополнительными элементами управления напряжением смещения, порогом срабатывания и временем включения и выключения компаратора фотоэлектрических импульсов, при этом устройство снабжено формирователем напряжения смещения и компаратором фотоэлектрических импульсов, вход формирователя напряжения смещения соединен с выходом блока управления, а вход подключен ЛФД, выходы элементов управления порогом срабатывания и временем включения и выключения соединены с входами компаратора фотоэлектрических импульсов, а выход компаратора соединен с входом формирователя выходных импульсов.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показана функциональная блок-схема устройства, где

1. Входной буфер импульсов запуска строб-импульса;

2. Контроллер полярности импульсов запуска строб-импульса;

3. Смеситель внешних и внутренних импульсов запуска строб-импульса;

4. Генератор внутренних импульсов запуска строб-импульса.

5. Формирователь задержки строб-импульса;

6. Генератор строб-импульса;

7. Формирователь амплитуды строб-импульса;

8. Блок управления на основе микроконтроллера;

9. Формирователь напряжения смещения;

10. Шина USB для связи с внешним компьютером;

11. Лавинный фотодиод ЛФД;

12. Компаратор фотоэлектрических импульсов;

13. Внутренний счетчик;

14 Формирователь выходных импульсов длительностью 10 Н·с и 100 Н·с;

15. Программный блок, позволяющий перепрограммировать микроконтроллер блока управления.

Буквенными символами обозначены:

Ас - управление амплитудой строб-импульсов (от 0 до 6 В);

Дс - управление длительностью строб-импульсов (от 2 до 12 наносекунд);

Зс - управление задержкой строб-импульсов (от 0 до 10 наносекунд);

Мв - управление мертвым временем срабатывания ЛФД (1, 2, 5, 10 микросекунд);

Нс - управление напряжением смещения ЛФД;

КСТ - управление и стабилизация температуры ЛФД;

П - управление порогом срабатывания компаратора;

Вкл - управление временем включения/выключения компаратора;

Ч - выход управляющего устройства, по которому осуществляется выбор частоты

внутреннего генератора импульсов, запускающих строб-импульсы;

USB - управление связью с внешним компьютером через USB порт;

Сч - управление параметрами работы счетчика регистрируемых импульсов.

На Фиг.2 показаны временные диаграммы используемых в изобретении импульсов:

a) Слабый световой импульс длительностью Т.

b) Строб-импульс длительностью Т₂ и амплитудой А₂. Пунктиром показан порог срабатывания ЛФД. Штрихпунктиром показано напряжение смещения А₃.

c) Управляющий импульс длительностью T₁. Импульс первого типа изображен сплошной вертикальной линией. Импульс второго типа изображен пунктирной вертикальной линией. Импульс третьего типа изображен точечной вертикальной линией.

Устройство работает следующим образом. На лавинный фотодиод (ЛФД) (11) подаются световые импульсы. Строб-импульс, сформированный по амплитуде формирователем (7), по длительности - генератором 6 и задержанный на определенное время формирователем (5), подается на ЛФД. За время действия строб-импульса ЛФД (11) с фиксированной вероятностью вырабатывает фотоэлектронный импульс. Фотоэлектронный импульс подается на компаратор напряжения (12) и с его выхода подается на внутренний счетчик (13). Усиленные фотоэлектрические импульсы после компаратора (12) подаются на формирователь выходных импульсов по длительности (14).

Строб-импульс вырабатывается либо от внешнего импульса, либо от внутреннего генератора (4). Внешний импульс запуска строб-импульса поступает через буфер (1) на контроллер полярности (2) и на смеситель (3). На смеситель также поступают импульсы от внутреннего генератора (4).

Блок управления (8) задает параметры устройства. Блок управления также управляет работой счетчиков импульсов и выдает информацию о числе зарегистрированных импульсов на компьютер (10) через шину USB. Блок управления контролирует и стабилизирует температуру ЛФД посредством известного в технике термоэлектрического элемента Пельтье и датчика обратной связи.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в обеспечении управления компаратора (12) двумя сигналами, вырабатываемыми блоком управления (8). Первый сигнал - регулируемый порог срабатывания компаратора фотоэлектрических импульсов. Импульс на выходе компаратора (12) появляется только при условии, что амплитуда на счетном входе, соединенном с выходом ЛФД, превосходит уровень напряжения ("порог"), подаваемый на контрольный вход. На контрольный вход подается постоянное напряжение, вырабатываемое блоком управления (8). На счетный вход компаратора (12) подаются импульсы с ЛФД (11). Амплитуда и время прихода поступающих на счетный вход компаратора (12) импульсов меняется в зависимости от типа их возникновения. Различаются пять типов импульсов:

1) Фотоэлектрические импульсы, поступающие с ЛФД, вызванные преобразованием фотонов слабого светового импульса в фотоэлектронную лавину.

2) Электрические импульсы, поступающие с ЛФД, вызванные электронной лавиной, причиной возникновения которой служат тепловые электроны, не связанные с приходом на ЛФД фотонов слабых оптических импульсов.

3) Электрические импульсы, образовавшиеся за счет паразитных емкостей ЛФД и монтажной схемы в результате дифференцирования строб-импульса, подаваемого на ЛФД.

4) Электрические импульсы, вызванные техническими шумами электронной схемы регистрации.

5) Электрические импульсы, возникающие при освобождении зарядов ловушек при поступлении на ЛФД строб-импульса (после-импульсы).

Импульсы первого типа являются истинными импульсами, связанными с приходом оптических импульсов, и подлежат регистрации. Импульсы второго, третьего, четвертого и пятого типов являются нежелательными, поскольку их появление не связано с приходом слабых оптических импульсов.

Устройство обеспечивает полное или частичное подавление импульсов второго и третьего типа за счет использования управляемого порога срабатывания компаратора (12) и управляемого времени срабатывания компаратора (12).

В слабом оптическом импульсе содержится примерно один фотон (изображен на фиг.2 жирной вертикальной линией). Фотон равновероятно может появиться в любой момент времени внутри временного интервала, равного длительности слабого оптического импульса. Этот фотон с фиксированной вероятностью вызывает рождение фотоэлектрона в ЛФД (11), который, в свою очередь, вызывает электронную лавину - фотоэлектрический импульс первого типа. Поскольку время прихода слабого оптического импульса известно, то управляемый временем срабатывания компаратора импульс, поступающий от блока управления (8), подается непосредственно перед приходом фотоэлектрического импульса первого типа. Длительность управляющего импульса выбирается такой, чтобы она превышала длительность входного светового импульса на время, равное полуширине управляющего импульса (Фиг.2). Таким образом, компаратор (12) открывается лишь на время примерно равное длительности входного оптического импульса. При этом строб-импульс имеет длительность, превышающую время срабатывания компаратора (12), определяемое длительностью управляющего импульса. Время, в течение которого с ЛФД (11) может поступить импульс любого из четырех перечисленных типов, оказывается большим времени работы компаратора (12).

Импульсы (нежелательные) второго типа возникают случайным образом и равновероятно распределены во временном интервале, равном длительности строб-импульса. Они возникают даже в отсутствие фотонов. Поэтому доля импульсов второго типа, которая будет зарегистрирована при использовании данного технического устройства, определяется отношением длительности включения компаратора к времени срабатывания ЛФД (11). Длительность срабатывания компаратора (12) задается длительностью управляющего импульса T₁, а время срабатывания ЛФД (11) - длительностью строб-импульса Т₂. Доля зарегистрированных импульсов составляет T₁/T₂.

Импульсы (нежелательные) третьего типа в силу природы их возникновения оказываются строго синхронизованными с фронтами и спадами строб-импульсов. Моменты их возникновения фиксированы и поэтому сами импульсы могут быть дискриминированы по времени путем включения компаратора управляющими импульсами меньшей длительностью. Фактически в данном техническом устройстве компаратор (12) включается после подачи строб-импульса, а выключается до окончания строб-импульса, что исключает возможность регистрации импульсов третьего типа.

Импульсы (нежелательные) четвертого типа вызваны различными техническими шумами электронной системы регистрации и имеют меньшую амплитуду, чем импульсы первого типа. Поэтому использование управляемого порога срабатывания компаратора (12) по амплитуде позволяет не пропустить на компаратор (12) импульсы, поступающие с ЛФД (11), амплитуда которых A₁ не превышает уровень A₀₁ (порог срабатывания компаратора), задаваемый блоком управления (Фиг.2).

Таким образом, изобретением достигается поставленный технический результат.

Изобретение относится к области регистрации слабых оптических сигналов ближнего инфракрасного диапазона спектра, передающихся через оптические волоконные линии связи. Устройство содержит формирователь напряжения смещения (9), вход которого соединен с выходом блока управления (8), а выход подключен к лавинному фотодиоду (11), и компаратор (12). Блок управления выполнен с дополнительными элементами управления напряжением смещения (НС), порогом срабатывания (П) и временем включения и выключения (ВКЛ) компаратора (12) фотоэлектрических импульсов. Выход элементов управления порогом срабатывания (П) и временем включения и выключения (ВКЛ) соединены с входами компаратора (12), а выход компаратора (12) соединен с входом формирователя (14) выходных импульсов. Технический результат - полное или частичное подавление нежелательных электрических импульсов. 2 ил.

Устройство для регистрации слабых оптических импульсов, содержащее программный блок (15), внутренний счетчик (13), выходы которых соединены с входами блока управления (8), выходы последнего соединены с входом генератора внутренних импульсов (4) для запуска строб-импульсов, с входом формирователя задержки (5) строб-импульсов, двумя входами генератора (6) строб-импульсов, с входом формирователя амплитуды (7) строб-импульсов, с входом компьютера (10) и входом лавинного фотодиода (11), входной буфер (1) импульсов для запуска строб-импульса, выход которого соединен с входом контроллера (2) полярности импульса для запуска строб-импульсов, выход контроллера (2) соединен с входом смесителя (3) внутренних и внешних импульсов для запуска строб-импульсов, при этом выход генератора (4) внутренних импульсов для запуска строб-импульсов соединен с входом смесителя (3) внутренних и внешних импульсов для запуска строб-импульсов, выход смесителя соединен с входом формирователя (5) задержки строб-импульсов, выход формирователя (5) соединен с входом генератора (6) строб-импульсов, выход генератора (6) соединен с входом формирователя (7) амплитуды строб-импульсов, выход которого подключен к лавинному фотодиоду (11), и формирователь выходных импульсов (14), отличающееся тем, что блок управления (8) выполнен с дополнительными элементами управления напряжением смещения (Нс), порогом срабатывания (П) и временем включения и выключения (ВКЛ) компаратора фотоэлектрических импульсов, устройство снабжено формирователем напряжения смещения (9) и компаратором (12) фотоэлектрических импульсов, при этом вход формирователя (9) напряжения смещения соединен с выходом блока управления (8), а выход подключен к лавинному фотодиоду (11), выходы элементов управления порогом срабатывания (П) и временем включения и выключения (ВКЛ) соединены с входами компаратора (12) фотоэлектрических импульсов, а выход компаратора (12) соединен с входом формирователя (14) выходных импульсов.