Способ приема оптических сигналов Российский патент 2021 года по МПК G01S17/48 G01S7/486 

Предлагаемое изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности, к технике приема сигналов с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в локации, связи и других фотоэлектронных областях.

Известен способ приема оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов [1]. Известны также способы стабилизации лавинного режима фотодиода, например, путем термокомпенсации рабочей точки напряжения смещения [2].

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ приема импульсных оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, напряжение смещения которого поддерживают путем стабилизации частоты шумовых импульсов, возникающих при пороговой обработке смеси сигнала и шума [3].

Недостатком этого способа является зависимость лавинного режима от выставленного порога срабатывания. Это приводит к неправильному выбору рабочей точки фотодиода и ухудшению реальной чувствительности [4].

Задачей изобретения является обеспечение чувствительности, близкой к предельно достижимой во всех эксплуатационных режимах.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающем пороговое обнаружение сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют значения умножаемого и неумножаемого шумового тока фотодиода и шум-фактор лавинного умножения, после чего коэффициент лавинного умножения Μ фотодиода устанавливают так, чтобы его величина с учетом допуска на регулировку была близка к оптимальному значению где Ι₀² и J_М² - соответственно квадраты составляющих неумножаемого и умножаемого шумового тока фотодиода в безлавинном режиме, приведенные к его выходу; α - коэффициент шумфактора, определяемый структурой фотодиода; при этом порог срабатывания порогового устройства регулируют так, чтобы частота f превышений порогового уровня выбросами шумового процесса находилась в пределах f₁<f<f₂, где f₁ и f₂ - нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а величину f=Ν/Τ определяют путем подсчета количества N выходных импульсов за предварительно заданное время Т.

На фиг. 1 представлена схема фотоприемного тракта, реализующего данный способ. На фиг. 2 показаны графики зависимости отношения сигнал/шум η(Μ) для германиевого (фиг. 2а) и кремниевого (фиг. 2б) лавинных фотодиодов.

Схема фиг. 1 содержит последовательно включенные лавинный фотодиод 1, усилитель 2 и пороговое устройство 3. Напряжение смещения подается на фотодиод 1 от последовательно включенных источника питания 4 и схемы компенсации 5. Пороговое устройство охвачено цепью обратной связи в виде блока шумовой автоматической регулировки порога 6, включенного между выходом порогового устройства и его управляющим входом. Схема компенсации связана с блоком установки лавинного режима 7. Синхронизация режима осуществляется блоком управления 8, связанным с блоками 6 и 7.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно определяют ход параметров Ι₀, Ι₁, α выбранных лавинных фотодиодов в зависимости от температуры и зависимость величины коэффициента лавинного умножения Μ от напряжения смещения фотодиода U_см. Этот подготовительный цикл осуществляют однократно на этапе проектирования.

При изготовлении и отладке фотоприемного устройства с учетом ранее определенных зависимостей настраивают, например, по методике [2] блок установки лавинного режима так, чтобы во всех условиях эксплуатации коэффициент лавинного умножения с учетом допуска на регулировку был близок к своему оптимальному значению.

После выхода фотодиода на номинальный лавинный режим непосредственно перед приемом сигналов включают шумовую автоматическую регулировку порога, осуществляемую блоком 6, например, по методике, изложенной в [5]. После выхода шумовой регулировки порога на рабочий режим, включают режим приема сигналов.

Описанный способ обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум во всех условиях эксплуатации и при различных уровнях первоначально выставленного порога срабатывания.

Оптимальное значение коэффициента лавинного умножения Μ можно определить следующим образом. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока [4]

Ι₀² - квадрат неумножаемого шумового тока

е - заряд электрона;

Ι₁=Ι_т+Ι_ф - первичный обратный ток фотодиода;

I_т - первичный (не умноженный) темновой ток фотодиода;

I_ф - первичный фототок фона;

Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства;

М- коэффициент лавинного умножения;

М^α - шум-фактор лавинного умножения;

α - коэффициент, определяемый конструкцией фотодиода [4].

Квадрат W отношения шум/сигнал, приведенного к Μ

J_M²=2eI₁Δƒ.

Условие нуля производной

Или

Пример 1 (Фиг. 2а).

Германиевый фотодиод. I₁=10^-7 A. J_M²=3,2⋅10^-19 Α². α=1. Рабочую точку фотодиода поддерживают при Μ=1,8…3,5. При этом максимальное отношение сигнал/шум, обеспечиваемое способом, то есть величина отличается от максимального значения при Μ=М_опт=3, не более, чем на 2%.

Пример 2 (Фиг. 2б).

Кремниевый фотодиод. 1₁=10^-9 A. J_M²=3,2⋅10^-21 Α². α=0,5. Рабочую точку фотодиода поддерживают при Μ=25…35. При этом максимальное отношение сигнал/шум, обеспечиваемое способом, отличается от максимального значения при Μ=Μ_опт=28, не более, чем на 2%.

Таким образом, обеспечивается реальная чувствительность, близкая к предельно достижимой во всех эксплуатационных режимах.

Источники информации

1. Росс М. Лазерные приемники. - «Мир», М, 1969 г. - 520 с.

2. Патент РФ №2248670. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения. 2005 г.

3. US pat. 4,077,718. Receiver for optical radar. 1978. - прототип.

4. Вильнер В.Г., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. Оптико-механическая промышленность, 1981, №9, - С. 59.

5. Вильнер В.Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. - Оптико-механическая промышленность, 1984, №5, с. 39-41.

Изобретение относится к технике выделения сигналов из шума с помощью лавинных фотодиодов и может быть использовано в областях, где требуется обеспечение максимального отношения сигнал/шум. Способ приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода включает пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют значения умножаемого и неумножаемого шумовых токов фотодиода и шум-фактор лавинного умножения, после чего коэффициент лавинного умножения Μ фотодиода устанавливают так, чтобы его величина с учетом допуска на регулировку была близка к оптимальному значению где Ι₀² и J_м² - соответственно квадраты составляющих неумножаемого и умножаемого шумовых токов фотодиода в безлавинном режиме, приведенные к его выходу; α - коэффициент шум-фактора, определяемый структурой фотодиода, при этом порог срабатывания порогового устройства регулируют так, чтобы частота f превышений порогового уровня выбросами шумового процесса находилась в пределах f₁<f<f₂, где f₁ и f₂ - нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а величину f=Ν/Τ определяют путем подсчета количества N выходных импульсов за предварительно заданное время Т. Изобретение обеспечивает максимальные отношения сигнал/шум во всех условиях эксплуатации. 2 ил.

Способ приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, отличающийся тем, что предварительно определяют значения умножаемого и неумножаемого шумовых токов фотодиода и шум-фактор лавинного умножения, после чего коэффициент лавинного умножения Μ фотодиода устанавливают так, чтобы его величина с учетом допуска на регулировку была близка к оптимальному значению где I₀² и J_М² - соответственно квадраты составляющих неумножаемого и умножаемого шумовых токов фотодиода в безлавинном режиме, приведенные к его выходу; α - коэффициент шум-фактора, определяемый структурой фотодиода; при этом порог срабатывания порогового устройства регулируют так, чтобы частота f превышений порогового уровня выбросами шумового процесса находилась в пределах f₁<f<f₂, где f₁ и f₂ - нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а величину f=Ν/Τ определяют путем подсчета количества N выходных импульсов за предварительно заданное время Т.