Способ обнаружения оптических сигналов Российский патент 2021 года по МПК G01R19/175 G01J1/04 H01L31/107 

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 пороговой чувствительности [4].

Задачей изобретения является обеспечение оптимальной чувствительности во всех условиях эксплуатации при гарантированной вероятности ложных срабатываний..

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающем пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют частоту f₀ пересечения шумом нулевого порога, включают безлавинный режим смещения фотодиода, устанавливают порог срабатывания U на уровне, соответствующем частоте шумовых срабатываний порогового устройства 1/Т << f << f₀, где Т - время измерения частоты f, фиксируют этот порог, определяют квадрат отношения порог/шум по формуле , после чего, управляя напряжением смещения лавинного фотодиода, устанавливают на нем такой коэффициент лавинного умножения М, при котором частота шумовых превышений порога , где α - параметр, характеризующий коэффициент шума фотодиода, затем фиксируют напряжение смещения на этом уровне и устанавливают порог срабатывания, при котором частота f_paб шумовых срабатываний соответствует требованиям в рабочем режиме, после чего приступают к приему сигналов.

Частоту f_paб можно устанавливать путем автоматической шумовой стабилизации порога после установления коэффициента лавинного умножения.

Допуск на установку частот f_M может быть до 2 раз от выставляемого параметра в большую и меньшую сторону.

На фиг. 1 представлена структурная схема приемника, реализующего способ. На фиг. 2 показан пример зависимости отношения сигнал/шум от коэффициента лавинного умножения. На фиг. 3 - пример зависимости f_М от f; α=0,5.

Приемник фиг. 1 по предлагаемому способу содержит лавинный фотодиод 1, выход которого через согласующий усилитель 2 подключен ко входу порогового формирователя импульсов 3. Выход последнего связан со входами датчиков частоты 4 и 5. Датчик 4 подключен к источнику смещения фотодиода 6, а датчик 5 - к управляющему входу порогового формирователя 3. Источник смещения 6 и пороговый формирователь 3 подключены к блоку управления 7.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно (на этапе проектирования) устанавливают частоту f₀, определяемую полосой пропускания приемного тракта 1, 2 до входа порогового формирователя 3.

Перед приемом сигналов включают подготовительный режим, в течение которого устанавливают оптимальные параметры приемного тракта - коэффициент лавинного умножения фотодиода и порог срабатывания порогового устройства. С этой целью в первой фазе подготовительного режима с помощью блока управления устанавливают на источнике смещения 6 низкий уровень напряжения смещения, соответствующий коэффициенту лавинного умножения М=1. Одновременно устанавливают порог срабатывания U формирователя 3 так, чтобы частота f шумовых превышений порога была значительно ниже предельной частоты f₀. Это необходимо для обеспечения широкого диапазона регулировки параметров приемника. Вместе с тем, частота шумовых срабатываний должна быть достаточно высокой, чтобы оценка частоты за период усреднения Т была достоверной. Этому требованию отвечает условие равносильное f>>1/Т и означающее малое влияние среднеквадратического разброса оценки на ее среднее значение fT. Например, при f₀=10⁷ Гц и времени усреднения Т=0,1 с этим условиям отвечает частота f в диапазоне от 10³ до 10⁵ Гц. По достижении порога U определяют квадрат отношения порог/шум по формуле . Если f₀ и f выбираются заранее, величина является постоянным паспортным параметром, определяемым на стадии проектирования. После этого во второй фазе подготовительного режима с помощью блока управления 7 включают замкнутый контур регулировки лавинного режима 1-2-3-4-6-1, путем изменения напряжения смещения фотодиода таким образом, чтобы частота шумовых превышений порога приняла значение f_M, соответствующее оптимальному коэффициенту лавинного умножения М_опт. В таком режиме обеспечивается максимальное отношение сигнал/шум. Частота также определяется предварительно по известным параметрам f₀, и α. После выхода на установившийся режим частоты f_M блоком управления 7 фиксируют напряжение смещения фотодиода на соответствующем уровне и переходят в рабочий режим приема оптических сигналов. Для этого переключают порог срабатывания на такой уровень, при котором частота шумовых срабатываний соответствует заданным техническим требованиям.

Известно [5-7], что в безлавинном режиме (М=1) квадрат среднеквадратического значения шума а на выходе фотодиода

где σ₀ и σ₁ - соответственно среднеквадратические значения неумножаемой (σ₀) и умножаемой (σ₁) составляющих шума.

Частота f пересечений порога U шумовыми выбросами в безлавинном режиме [7]

где - частота пересечения шумом нулевого порога; R(τ) - корреляционная функция шума на входе порогового устройства [8]. Зная частоты f и f₀ из (2) можно определить отношение порог/шум

В лавинном режиме [4]

где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=М^α, определяемый материалом и структурой фотодиода [4-6].

Квадрат отношения сигнал/шум

Обратная η² величина (квадрат отношения шум/сигнал)

Производная этой величины

Минимум отношения шум/сигнал обеспечивается при dW/dM=0.

Условие (8) выполняется при

Частота шумовых превышений порога в лавинном режиме

)

Подстановка (9) в (10 дает выражение частоты шумовых превышений порога при М=М_опт. С учетом всегда имеющего место условия σ₀² >> σ₁² (в противном случае режим лавинного умножения невозможен)

Из (2) и (11) следует отношение частот f(M=M_опт) и f(M=1).

Как следует из (12) при постоянных параметрах α, определяемом конструкцией фотодиода, и U/σ, задаваемом частотой f, отношение f(M_опт)/f полностью определяется этими параметрами и также является постоянным параметром способа. В свою очередь, частота f(M_опт). соответствует оптимальной величине коэффициента лавинного умножения, обеспечивающего максимальное отношение сигнал/шум. Это методическое постоянство упрощает процедуру настройки как в процессе отладки приемника, так и в его рабочем режиме.

Из этого следует также, что частота f может быть любой в самом широком диапазоне при выполнении условий

и

Допуск на частоту f(M_опт) также достаточно широк.

Пример 1.

Зависимость отношения сигнал/шум от коэффициента лавинного умножения.

(σ₀/σ₁)²=900; (U/σ)²=20; α=0,5 (Si лавинный фотодиод); f₀=10⁷ Гц.

В соответствии с (2) f=454 Гц.

При этих данных с помощью (6) вычислена зависимость η(М), график которой приведен на фиг 2.

М_опт=26,46. Максимум квадрата отношения сигнал/шум в относительных единицах равен 140.

Однопроцентное ухудшение отношения сигнал шум соответствует относительному уровню 137. На фиг. 2 пунктиром показаны границы допустимого диапазона М=22-33, отвечающие этому уровню.

Влияние неточности фиксации частоты f_M на коэффициент лавинного умножения может быть установлено из (10).

Пример 2

В условиях примера 1 σ₁²=0,0011 σ₀². Тогда

Допустимый разброс частот f(M) согласно (15) составляет

f(M_опт)=1332 кГц (номинальная частота).

f(M=22)=573 кГц.

f(M=33)=2812 кГц.

Столь широкий допуск с большим запасом обеспечивает 99 процентов от теоретически предельного отношения сигнал/шум.

Пример 3 Влияние разброса частоты f на номинальную величину f_M.

(σ₀/σ₁)²=100; (U/σ)²=18,4; α=0,5; f₀=10⁷ Гц; f=850…1250 Гц.

Зависимость f_M(f) носит линейный характер (фиг. 3), что обеспечивает простоту реализации способа. Для данного примера М=М_опт ~ 20 во всем диапазоне частот.

Таким образом, описанный способ решает поставленную задачу обеспечения оптимальной чувствительности во всех условиях эксплуатации при гарантированной вероятности ложных срабатываний.

Источники информации

1. Росс М. Лазерные приемники. - М.: Мир., 1969. - 520 с.

2. Патент РФ №2 248670. 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. Анисимова И.Д. и др. Полупроводниковые фотоприемники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. Под ред. В.И. Стафеева. - М.: Радио и связь, 1984. - 216 с.

6. Филачев А.М., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды. - М: Физматкнига, 2011. - 448 с.

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

8. Тихонов В.И. Выбросы случайных процессов. Главн. ред. физ.-матем. лит., 1970, - С. 392.

Изобретение относится к приему сигналов, в частности к технике выделения сигналов из шума с помощью лавинных фотодиодов. Технический результат изобретения заключается в обеспечении максимального отношения сигнал/шум во всех условиях эксплуатации. Изобретение представляет способ обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют частоту f₀ пересечения шумом нулевого порога, включают безлавинный режим смещения фотодиода, устанавливают порог срабатывания U на уровне, соответствующем частоте шумовых срабатываний порогового устройства 1/Т << f << f₀, где Т - время измерения частоты f, фиксируют этот порог, определяют квадрат отношения порог/шум по формуле, после чего, управляя напряжением смещения лавинного фотодиода, фиксируют напряжение смещения на этом уровне и устанавливают порог срабатывания, при котором частота f_paб шумовых срабатываний соответствует требованиям в рабочем режиме, после чего приступают к приему сигналов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ обнаружения 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 частоту f₀ пересечения шумом нулевого порога, включают безлавинный режим смещения фотодиода, устанавливают порог срабатывания U на уровне, соответствующем частоте шумовых срабатываний порогового устройства 1/Т << f << f₀, где Т - время измерения частоты f, фиксируют этот порог, определяют квадрат отношения порог/шум по формуле , после чего, управляя напряжением смещения лавинного фотодиода, устанавливают на нем такой коэффициент лавинного умножения М, при котором частота шумовых превышений порога , где α - параметр, характеризующий коэффициент шума фотодиода, затем фиксируют напряжение смещения на этом уровне и устанавливают порог срабатывания, при котором частота f_paб шумовых срабатываний соответствует требованиям в рабочем режиме, после чего приступают к приему сигналов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоту f_paб устанавливают путем автоматической шумовой стабилизации порога после установки коэффициента лавинного умножения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что допуск на установку частоты f_M составляет до 2 раз от выставляемого параметра в большую и меньшую сторону.