Способ приема оптических импульсов Российский патент 2022 года по МПК G01R19/175 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 системах.

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 в фотодиоде в процессе лавинного умножения [3].

Недостатком этого способа является возможность введения фотодиода в режим микроплазменного пробоя [4, с. 345]. Микроплазменные импульсы тока имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения обратного напряжения. Увеличение напряжения смещения сопровождается увеличением длительности импульсов и уменьшением скважности [5]. В таком режиме шум лавинного фотодиода состоит из двух независимых составляющих - нормального шума [6] и «телеграфного» шума микроплазм. Микроплазменная составляющая шума фотодиода не сопоставима по статистическим характеристикам с нормальной составляющей, и ее участие в процессе регулирования смещения фотодиода [3] непредсказуемо. При некоторых температурных условиях регулировка лавинного режима по частоте шумовых выбросов фотодиода включая микроплазмы, может привести к выходу системы на неоптимальный режим лавинного умножения, т.е. к ухудшению пороговой чувствительности фотоприемного устройства или к недопустимой вероятности ложных срабатываний, вызванных микроплазмами.

Задачей изобретения является обеспечение высокой чувствительности во всех условиях эксплуатации при наличии микроплазменных пробоев.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе приема оптических импульсов с помощью лавинного фотодиода, включающем пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, настройку лавинного режима производят в температурной точке Т=Т₀, наиболее критичной к заданным условиям эксплуатации, а ход температурной зависимости напряжения смещения образуют так, чтобы коэффициент лавинного умножения фотодиода удовлетворял заданным требованиям по коэффициенту усиления приемного тракта с учетом допустимой частоты микроплазменных пробоев во всем рабочем температурном диапазоне, включая точку Т=Т₀, при этом коэффициент лавинного умножения М в температурной точке Т=Т₀ должен быть как можно ближе к оптимальному значению где Q - постоянный коэффициент, не зависящий от температуры и устанавливаемый при регулировке.

Температурная точка Т₀ может быть выбрана равной минимальной рабочей температуре Т₀=T_min, при этом температурный ход оптимального коэффициента лавинного умножения где Q_min - постоянный коэффициент, устанавливаемый при регулировке лавинного режима в температурной точке Т₀=T_min с учетом допустимой частоты микроплазм.

Температурная точка Т₀ может быть выбрана равной максимальной рабочей температуре Т₀=T_max, при этом температурный ход коэффициента лавинного умножения уменьшают относительно значения, установленного в точке Т=T_max.

При регулировке лавинного режима в точке Т₀=T_max температурный ход коэффициента лавинного умножения М(Т) может быть установлен равным М(Т)=М_опт(T_max) во всем рабочем температурном диапазоне.

На фиг. 1 представлена схема фотоприемного тракта, реализующего данный способ. На фиг. 2 - зависимость первичного темнового тока от температуры для кремниевого лавинного фотодиода. На фиг. 3 показаны графики зависимости коэффициента лавинного умножения М от температуры - для М_опт, график 7, для аппроксимации М_опт путем построения практической зависимости напряжения смещения U_опт(T) от температуры, график 8, и для U_см=0,98U_опт(Т), график 9, а также для М=Const во всем температурном диапазоне, график 10. На фиг. 4 приведены зависимости напряжения пробоя (график 11) от температуры и напряжения смещения фотодиода для М=М_опт(Т) - график 12 и для М=М_опт(T_max) - график 13.

На фиг. 5 показаны графики отрицательной поправки к линейной зависимости напряжения смещения от температуры относительно температурной зависимости напряжения пробоя для М(Т)=M(T_min) (график 14) и для М(Т)=М_опт(Т) - график 15.

Фотоприемный тракт (фиг. 1) содержит последовательно включенные лавинный фотодиод 1, усилитель 2 и пороговое устройство 3. Напряжение смещения подается на фотодиод 1 от последовательно связанных источника питания 4 и схемы термокомпенсации 5 с датчиком температуры 6.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно на этапе проектирования определяют наиболее критичную температуру. Обычно это минимальная температура заданного температурного диапазона Т₀=T_min, поскольку при низкой температуре оптимальный коэффициент лавинного умножения М максимален и более чувствителен к отклонениям напряжения смещения, что повышает требования к точности настройки. Кроме того, высокое значение М повышает риск микроплазменных пробоев, в связи с чем рабочее напряжение смещения в этой точке приходится устанавливать ниже, чем в других участках температурного диапазона.

Если способ предназначен для систем передачи данных и других задач, где требуется температурная стабильность коэффициента передачи приемного тракта, то настройку режима термокомпенсации производят в точке минимального значения М_опт, то есть при температуре Т₀=T_max.

В процессе производства в точке Т₀ выставляют наиболее близкое к оптимальному значение М_опт(Т₀) с учетом допустимой частоты микроплазм. Установив это субоптимальное значение коэффициента лавинного умножения, настраивают температурный ход М(Т), совпадающий в точке Т₀ с выставленным значением М_опт(Т₀).

Оптимальное значение коэффициента лавинного умножения М можно определить следующим образом. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока

I₀² - квадрат неумножаемого шумового тока

е - заряд электрона;

I₁ - первичный (неумноженный) обратный ток фотодиода;

Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства;

М - коэффициент лавинного умножения;

М^α - шум-фактор лавинного умножения;

α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [6].

Квадрат W отношения шум/сигнал

J_м²=2eI₁Δƒ.

Производная W по М

Условие нуля производной

Или

откуда

Согласно имеющимся данным, первичный темновой ток фотодиода во всем рабочем температурном диапазоне экспоненциально зависит от температуры с температурным коэффициентом β=Const, причем, для любой температуры Т в пределах этого диапазона справедливо соотношение

[I₁(T)-I₁(T-10)]/I₁(T)~2.

Так, для кремниевых лавинных n⁺pip⁺ фотодиодов (фиг. 2) [9, с. 251].

где Т*=T₁-T_min;

I_min - первичный темновой ток при температуре T_min.

Подстановка в (6) с учетом (7) дает зависимость оптимального коэффициента лавинного умножения от температуры.

- постоянный коэффициент, не зависящий от температуры;

k - постоянная Больцмана;

K - коэффициент шума;

R - нагрузка фотодиода;

I_min - минимальный первичный темновой ток;

β - температурный коэффициент темнового тока.

Пример 1

I_min(T=-50°)=6⋅10^-14 А; β=0,085 1/град; α=0,5.

Зависимость М_опт(Т) для этих данных приведена в таблице 1 и на фиг. 3 - кривая 7.

Для реализации М_опт(Т) необходимо создать соответствующий температурный ход напряжения смещения фотодиода U_см(T), например, с помощью известной формулы Миллера [10, с. 151].

где U_пр - напряжение лавинного пробоя;

ξ - коэффициент характеризуемый типом фотодиода; для кремниевых фотодиодов ξ=3,4…4 [10].

Из (9) следует.

Напряжение пробоя U_пр зависит от температуры Т линейно.

Для кремниевых фотодиодов температурный коэффициент ζ~2 В/град.

Так, для кремниевого лавинного фотодиода S12092-05 [11] ζ=1,85 В/град.

Пример 2 T_min=-50°С; T_max=+50°С; ξ=4; ζ=1,85 В/град;

U_пр(T_min=-50°С)=150 В; I_min(T=-50°)=6⋅10^-14 A; R=10⁶ Ом.

При этих данных Q=31,9. Результаты расчета приведены в таблице 2 и на фиг. 3.

Согласно (8) М_опт(Т_min)=175,4; температурная зависимость М_опт(Т), проходящая через точку М_опт(Т_min), представлена на фиг. 3 (кривая 7).

Линейная температурная зависимость напряжения пробоя U_пр(T) показана на фиг. 4 (кривая 11). Кривая 12 - вид U_см(М_опт) напряжения смещения (8). Разность между напряжением пробоя 11 и напряжением смещения 12 показана на графике 15 фиг. 5. Для реализации такого температурного хода можно ввести корректирующую поправку вида ΔU(T)=3(1-е^-0,01T*)(1-е^{-0,05(100-T*)}). Коэффициент лавинного умножения, соответствующий этой поправке представлен графиком 8 (фиг. 3). Температурный ход коэффициента лавинного умножения 8 предельно близок к оптимальному, а соответствующее ему отношение сигнал/шум практически не отличается от максимального.

Температурная компенсация режима М(Т)=Const носит линейный характер, соответственно температурному ходу U_пр(T) - кривая 13 фиг. 4. Расчетные значения поправки (U_пр-U_см) для рассмотренных случаев приведены в таблице 3.

Область высоких значений М_опт характеризуется трудностью поддержания коэффициента лавинного умножения с высокой точностью в течение срока эксплуатации. При этом в этой области наблюдается повышенная вероятность микроплазменных пробоев. Для предотвращения этих проблем пропорционально понижают напряжение смещения до прекращения микроплазменных пробоев в точке T_min.

Пример 3

U_см(T)=0,98U_см(Т)_кор.

В таком режиме правая часть кривой М(Т) остается оптимальной, а левая снижается в два раза относительно максимального значения (кривая 9, фиг. 3). При такой «недорегулировке» при температуре T_min коэффициент лавинного умножения в точке наихудшей чувствительности при максимальной температуре +50°С практически совпадает с оптимальным, то есть отношение сигнал/шум во всем температурном диапазоне оказывается максимально возможным с учетом микроплазм.

В некоторых приложениях необходимо поддерживать одинаковый коэффициент передачи приемного тракта при всех температурах (график 10, фиг. 3). Тогда регулировку лавинного режима следует производить при максимальной температуре, добиваясь в ней оптимального отношения сигнал/шум.

В процессе работы устанавливают напряжение смещения фотодиода в соответствии с окружающей температурой, реализуя установленный ход U_см(T) с помощью датчика температуры 6 и схемы термокомпенсации 5 (фиг. 1). При этом напряжение смещения уменьшают относительно оптимального до уровня, при котором частота микроплазм удовлетворяет заданным требованиям.

Таким образом, обеспечивается близкая к предельно достижимой чувствительность во всех режимах, в том числе при наличии микроплазменных пробоев.

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 Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков M.A. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007, - 384 с.

5 Вишневский А.И., Руденко В.С, Платонов А.П. Силовые ионные и полупроводниковые приборы. Учебное пособие для вузов. Под редакцией В.С. Руденко. Москва, Высшая школа, 1975.

6 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.

7 Шашкина А.С.и др. Лавинный пробой p-n-перехода в задачах радиотехники. - Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2016, том 16, №5, с. 864-871.

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

9 Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды. Москва, Физматгиз. 2011, - 448 с.

10 Анисимова И.Д. и др. Под ред. В.И. Стафеева. Полупроводниковые фотоприемники. Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. М., Радио и связь. 1984. - 216 с.

11 Hamamatsu. Cat. No. KAPD1013E05 Aug. 2016 DN. Si APD S9251/S12092 series.

Изобретение относится к приему оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов и может быть использовано в локации, связи и других фотоэлектронных системах. Способ приема оптических импульсов с помощью лавинного фотодиода включает пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, настройку лавинного режима производят в температурной точке Т=Т₀, наиболее критичной к заданным условиям эксплуатации, а ход температурной зависимости напряжения смещения образуют так, чтобы коэффициент лавинного умножения фотодиода удовлетворял заданным требованиям по коэффициенту усиления приемного тракта с учетом допустимой частоты микроплазменных пробоев во всем рабочем температурном диапазоне, включая точку Т=Т₀, при этом коэффициент лавинного умножения М в температурной точке Т=Т₀ должен быть как можно ближе к оптимальному значению где Q - постоянный коэффициент, не зависящий от температуры и устанавливаемый при регулировке. Технический результат заключается в обеспечении близкой к предельно достижимой чувствительности во всех режимах, в том числе при наличии микроплазменных пробоев. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ приема оптических импульсов с помощью лавинного фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, отличающийся тем, что настройку лавинного режима производят в температурной точке Т=Т₀, наиболее критичной к заданным условиям эксплуатации, а ход температурной зависимости напряжения смещения образуют так, чтобы коэффициент лавинного умножения фотодиода удовлетворял заданным требованиям по коэффициенту усиления приемного тракта с учетом допустимой частоты микроплазменных пробоев во всем рабочем температурном диапазоне, включая точку Т=Т₀, при этом коэффициент лавинного умножения М в температурной точке Т=Т₀ должен быть как можно ближе к оптимальному значению где Q - постоянный коэффициент, не зависящий от температуры и устанавливаемый при регулировке, α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода, β - температурный коэффициент темнового тока фотодиода.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температурную точку Т₀ выбирают равной минимальной рабочей температуре Т₀=T_min, при этом температурный ход оптимального коэффициента лавинного умножения где Q_min - постоянный коэффициент, устанавливаемый при регулировке лавинного режима в температурной точке Т₀=T_min с учетом допустимой частоты микроплазм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температурную точку Т₀ выбирают равной максимальной рабочей температуре Т₀=T_max, при этом температурный ход коэффициента лавинного умножения находится ниже кривой пересекаясь с ней в точке Т=T_max.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что при регулировке лавинного режима в точке Т₀=T_max температурный ход коэффициента лавинного умножения М(Т) устанавливают равным М(Т)=М_опт(T_max) во всем рабочем температурном диапазоне.