Способ приема импульсных оптических сигналов 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]. Микроплазменные импульсы тока (микроплазмы) имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения обратного напряжения. Увеличение амплитуды 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 минимальном времени выхода на рабочий режим.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе приема импульсных оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающем пороговую обработку сигналов с помощью порогового устройства и формирование выходных импульсов, предварительно определяют неумножаемую составляющую квадрата шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают порог I_пор0, приведенный к выходу фотодиода, в пределах где - квадрат неумножаемого шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают напряжение смещения фотодиода на уровне, при котором коэффициент лавинного умножения где α - коэффициент шума фотодиода, - квадрат умножаемой составляющей первичного шумового тока, приведенного к выходу фотодиода; е - заряд электрона; I₁ - первичный умножаемый темновой ток фотодиода; Δf - полоса пропускания приемного тракта, после этого уменьшают напряжение смещения до тех пор, пока частота f_шM превышений порога шумовыми выбросами не упадет до предельно допустимого уровня, при этом фиксируют напряжение смещения и начинают уменьшать порог до уровня, при котором частота шумовых превышений порога не достигнет номинального промежуточного значения f_п >> f_шM, затем увеличивают порог в раз, где f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня, a f_p - предельно допустимая частота ложных срабатываний в рабочем режиме, после чего фиксируют порог и приступают к приему сигналов.

Частоты f_ш, f_п и f_p определяют в соответствующих режимах как отношение количества шумовых выбросов за контрольный интервал времени Т.

Предельно допустимым уровнем частоты микроплазм f_шM можно принять количество микроплазм не более одной за время Т.

Частоту f_п выбирают из условия f₀ >> f_п >> f_р.

На фиг. 1 представлена схема фотоприемного устройства, реализующего данный способ. На фиг. 2а), б) - примеры реализации шума на входе порогового устройства. На фиг. 3 показаны графики зависимости η(М) для германиевого (фиг. 3а) и кремниевого (фиг. 3б) лавинных фотодиодов.

Фотоприемное устройство 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. Пороговое устройство охвачено цепью обратной связи в виде схемы шумовой автоматической регулировки порога (ШАРП) 6, включенной между выходом порогового устройства и его управляющим входом. Выход порогового устройства подключен ко входу схемы понижения 7, а выход последней связан со схемой термокомпенсации 5 и пороговым устройством 3. Схема понижения 7 связана также с управляющим входом схемы ШАРП 6. Синхронизация режима осуществляется блоком управления 8, связанным с блоками 6 и 7.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно на стадии проектирования определяют температурную зависимость коэффициента лавинного умножения от напряжения смещения фотодиода. Одновременно определяют температурный ход оптимальной лавины, то есть такого коэффициента лавинного умножения М_опт(Т), при котором отношение сигнал/шум на выходе фотодиода принимает максимальное значение при каждой температуре.

В соответствии с этим на этапе изготовления настраивают схему термокомпенсации 5 так, чтобы во всем диапазоне температур коэффициент лавинного умножения М=М(Т) ~ М_опт(Т). Одновременно схему ШАРП 6 настраивают так, чтобы приведенный к выходу фотодиода порог срабатывания порогового устройства находился в пределах где - квадрат неумножаемого шумового тока на выходе лавинного фотодиода.

В начальный момент времени, задаваемый командой с блока управления 8, открывается вход порогового устройства, и на его выходе возникают импульсы, соответствующие микроплазменным пробоям фотодиода. Эти импульсы поступают на схему понижения, вынуждая ее понижать напряжение смещения фотодиода и, тем самым, снижать коэффициент лавинного умножения и частоту микроплазм, определяемую как количество микроплазм в течение контрольного интервала времени Т (см. фиг. 2). Когда это количество в течение очередного цикла Т снижается до 1 или 0, схема понижения 7 останавливает изменение напряжения смещения и одновременно включает схему ШАРП 6, которая начинает понижать порог срабатывания до появления нормальных шумов, обусловленных фактором I_ш²=I₀²+Iм², где Iм² - квадрат умножаемого шумового тока. При частоте срабатываний порогового устройства уровня f=f_п схема ШАРП фиксирует порог срабатывания на этом уровне, и подготовительный этап заканчивается, после чего устанавливают рабочий порог срабатывания путем увеличения порога в раз и начинают прием оптических сигналов.

Описанный способ обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум при наличии микроплазменных пробоев, которые обычно не учитывают, что приводит к существенным потерям реальной чувствительности приемных устройств.

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

- квадрат неумножаемого шумового тока;

е - заряд электрона;

I₁ - первичный 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

Условие нуля производной

Или

откуда

При оценке вероятности р ложного события (генерации микроплазмы) путем подсчета относительной частоты ложных событий [10, с. 226] как отношения w количества m ложных событий и полного объема k испытаний существует доверительная граница р_в оценки вероятности р при m=1.

где w=1/k;

t - доверительный коэффициент (надежность оценки); например, доверительной вероятности 0,95 соответствует надежность t=1,96 [10].

Из (7) следует необходимый объем испытаний k=K при m=1 для обеспечения заданной вероятности рв с надежностью t

Статистический объем К необходим для каждой ступени ΔU_cм регулирования напряжения смещения.

Длительность T₁ цикла контроля на каждой ступени ΔU_cм

где Δt - длительность такта проверки наличия микроплазмы, соответствующая дискретности измерения задержки принимаемого импульса.

Пример 1

р_в=0,001; t=2. Критерий выхода на рабочий лавинный режим m≤1 (фиг. 2). В соответствии с (8) K≥3⋅10³.

Дискретность Δt обычно находится в пределах 3,33-33,3 нc.

Пример 2

K=10⁴; Δt=10^-8 с.

В соответствии с (9) длительность одного цикла T₁=K Δt=10^-4 с.

Количество Q ступеней регулирования напряжения смещения

где U_cмМ - начальный уровень напряжения смещения;

U_cм0 - конечный уровень напряжения смещения;

ΔU_cм - значимое изменение напряжения смещения, при котором происходит наблюдаемое изменение частоты микроплазм.

Пример 3

U_cмМ - U_cм0=20 В: ΔU_cм=1 В.

Q=20/1=20.

Максимальное время выхода на рабочий режим смещения

Пример 4

В условиях примеров 1-3

Т=20⋅10^-4=2⋅10^-3 с.

Снижение коэффициента лавинного умножения на уровень несколько ниже оптимального не приводит к существенному ухудшению отношения сигнал/шум

Пример 5 (Фиг. 3а).

Германиевый фотодиод. I₁=10^-7 A. I_м²=3,2⋅10^-19 А². α=1. Область микроплазм начинается с М=4. Рабочую точку фотодиода поддерживают при М=1,8…3,5. При этом максимальное отношение сигнал/шум, обеспечиваемое способом, то есть величина отличается от максимального значения, обеспечиваемого при М=М_опт=3, не более, чем на 2%.

Пример 6 (Фиг. 3б).

Кремниевый фотодиод .I₁=10^-9 A. I_м²=3,2⋅10^-21 А². α=0,5. Область микроплазм начинается с М=25. Рабочую точку фотодиода поддерживают при М=20…25. При этом максимальное отношение сигнал/шум, обеспечиваемое способом, то есть величина отличается от максимального значения, обеспечиваемого при М=М_опт=30, не более, чем на 2%.

Если процесс стабилизации отношения порог/шум происходит при частоте f_п шумовых превышений порога, превышающей частоту f_p таких событий в рабочем режиме, то перед переходом к приему сигналов порог увеличивают в где f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня. Такой процесс стабилизации режима порогового устройства также занимает время порядка 10^-3 с [9].

Таким образом, при максимальном быстродействии 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 М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007, - С. 345.

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 Патент РФ №2718856. Способ автоматической стабилизации частоты пересечения порогового уровня выбросами шумового процесса, 2020 г.

10 Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Москва, Высшая школа, 1977, - 480 С.

Изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности к технике приема сигналов с помощью лавинных фотодиодов. Способ приема импульсных оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов с помощью порогового устройства и формирование выходных импульсов, предварительно определяют неумножаемую составляющую квадрата шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают порог приведенный к выходу фотодиода, в пределах где - квадрат неумножаемого шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают напряжение смещения фотодиода на уровне, при котором коэффициент лавинного умножения где α - коэффициент шума фотодиода, - квадрат умножаемой составляющей первичного шумового тока, приведенного к выходу фотодиода; е - заряд электрона; I₁ - первичный умножаемый темновой ток фотодиода; Δf - полоса пропускания приемного тракта, после этого уменьшают напряжение смещения до тех пор, пока частота f_шМ превышений порога шумовыми выбросами не упадет до предельно допустимого уровня, при этом фиксируют напряжение смещения и начинают уменьшать порог до уровня, при котором частота шумовых превышений порога не достигнет номинального промежуточного значения затем увеличивают порог в раз, где f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня, a f_p - предельно допустимая частота ложных срабатываний в рабочем режиме, после чего фиксируют порог и приступают к приему сигналов. Технический результат изобретения заключается в том, что при максимальном быстродействии обеспечивается близкая к предельно достижимой чувствительность во всех режимах, в том числе при наличии микроплазменных пробоев. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ приема импульсных оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов с помощью порогового устройства и формирование выходных импульсов, отличающийся тем, что предварительно определяют неумножаемую составляющую квадрата шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают порог I_пор0, приведенный к выходу фотодиода, в пределах где - квадрат неумножаемого шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают напряжение смещения фотодиода на уровне, при котором коэффициент лавинного умножения где α - коэффициент шума фотодиода, - квадрат умножаемой составляющей первичного шумового тока, приведенного к выходу фотодиода; е - заряд электрона; I₁ -первичный умножаемый темновой ток фотодиода; Δf- полоса пропускания приемного тракта, после этого уменьшают напряжение смещения до тех пор, пока частота f_шM превышений порога шумовыми выбросами не упадет до предельно допустимого уровня, при этом фиксируют напряжение смещения и начинают уменьшать порог до уровня, при котором частота шумовых превышений порога не достигнет номинального промежуточного значения f_п >> f_шM, затем увеличивают порог в раз, где f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня, a f_p - предельно допустимая частота ложных срабатываний в рабочем режиме, после чего фиксируют порог и приступают к приему сигналов.

2. Способ приема импульсных оптических сигналов по п. 1, отличающийся тем, что частоты f_ш, f_п и f_p определяют в соответствующих режимах как отношение количества шумовых выбросов за контрольный интервал времени Т.

3. Способ приема импульсных оптических сигналов по п. 1, отличающийся тем, что предельно допустимым уровнем частоты микроплазм f_шM принимают количество микроплазм не более одной за время Т.

4. Способ приема импульсных оптических сигналов по п. 1, отличающийся тем, что частоту f_n выбирают из условия f₀ >> f_п >> f_p.