Способ приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода Российский патент 2024 года по МПК G01S17/48 

Предлагаемое изобретение относится к обнаружению сигналов на фоне флуктуационного шума, в частности, к технике приема импульсных оптических сигналов, и может быть использовано в локации, связи и других областях.

Известен способ приема оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов [1-3]. Известны также способы стабилизации лавинного режима фотодиода, например, путем термокомпенсации рабочей точки напряжения смещения [4]. Указанные решения не обеспечивают максимального отношения сигнала к шуму, поскольку не контролируют это отношение. Знание характеристик шума важно для правильного построения режима порогового выделения сигналов [4]. Известные методы определения параметров шума, в том числе его дисперсии и шум-фактора [5-9] либо приближенно рассчитываются с учетом общих физических основ построения фотоприемных структур, либо требуют привлечения сложных стационарных приборов, основанных на метрологических принципах, непригодных для портативной аппаратуры, работающей в широком диапазоне внешних эксплуатационных воздействий.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ обнаружения оптических сигналов [10], включающий прием сигналов с помощью лавинного фотодиода в режиме лавинного умножения и пороговую обработку принятых сигналов, причем коэффициент лавинного умножения М устанавливают таким образом, чтобы частота шумовых превышений порога f_М соответствовала заданному значению f_M, установленному для лавинного режима, после чего фиксируют напряжение смещения на этом уровне и повышают порог в раз до уровня, при котором частота f_p шумовых превышений порога в рабочем режиме соответствует заданным требованиям.

Недостатком указанной процедуры является отсутствие возможности определения параметров шума, в том числе постоянного параметра α шум-фактора М^α, определяющего оптимальную величину М и необходимого для организации правильного режима обработки смеси сигнала и шума.

Задачей изобретения является оперативное определение постоянного параметра α шум-фактора лавинного умножения в процессе проектирования, производства и обслуживания аппаратуры без привлечения специального измерительного оборудования и средств его метрологического обеспечения.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода в режиме лавинного умножения поочередно устанавливают коэффициент лавинного умножения М=1, М₁>1 и М₂>M₁, в каждом из этих режимов определяют квадрат среднеквадратического значения шума σ² (М=1) =σ², σ² (M=M₁) =σ₁² и σ² (М=М₂) =σ₂², после чего вычисляют параметр α шум-фактора лавинного умножения F=М^α по формуле , причем, коэффициент лавинного умножения M₁ устанавливают в заданном интервале, а затем устанавливают коэффициент М₂ путем сравнения отношения М₂/М₁ с эталоном.

Величины M₁ и М₂ устанавливают в области рабочего значения коэффициента лавинного умножения так, что М₂=(1,1-3)М₁.

В качестве эталона можно использовать эталонный ослабитель сигнала кратностью K, а коэффициент М₂ устанавливают, обеспечивая равенство выходных сигналов от опорного излучателя в режимах M₁ и М₂/К.

Фиг. 1 представляет циклограмму способа. На фиг. 2 показана гистограмма составляющих погрешности измерений параметра α. На фиг. 3 приведены графики зависимости погрешности измерения α от соотношения коэффициентов лавинного умножения в двух лавинных режимах. На фиг. 4 представлена структурная схема аппаратуры, реализующей способ.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

На первом этапе устанавливают безлавинный режим фотодиода М=1 путем включения низкого напряжения смещения и определяют дисперсию шума σ² (М=1)=σ*². На втором и третьем этапах увеличивают напряжение смещения фотодиода, устанавливая значения коэффициента лавинного умножения M₁ и М₂, согласно их заданному отношению М₂/М₁, при этом определяют на каждом из этих этапов дисперсию шума σ₁² и σ₂².

Известно [1, 3], что в безлавинном режиме (М=1) квадрат среднеквадратического значения шума σ*² на выходе фотодиода

σа²(М=1)=σ*²=σ₀²+σ₁², (1)

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

В лавинном режиме [1]

(2)

где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=М^α, определяемый материалом и структурой фотодиода [3, 6, 10].

Из (2) и (1):

Из (3) можно исключить нестабильный параметр σ₁² путем сопоставления этой зависимости для двух режимов лавинного умножения.

Учитывая, что σ₀²>>σ₁², с достаточно высокой точностью можно считать σ²=σ₀², тогда

Откуда

Режим фотодиода устанавливают в рабочей области, например, в окрестности максимального отношения сигнал/шум.

Квадрат отношения сигнал/шум

η²=М²/σ² (8)

Обратная η² величина (квадрат отношения шум/сигнал)

W=σ²/М²=(σ₀²+σ₁²М^2+α)/М²=σ₀²М^-2+σ₁²М^α (9)

Производная этой величины

dW/dM=-2σ₀²M^-3+ασ₁²M^α-1 (10)

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

ασ₁²M^α-1-2σ₀²M^-3=ασ₁²M^2+α-2σ₀²=0 (11)

Условие максимума (8) выполняется при

Измерение α производят в следующем порядке.

1 Для ожидаемых значений параметров σ_0cp², σ_1cp² и α_ср устанавливают два значения M₁ и М₂ в рабочей области М, например, в окрестности М_опт.

Пример 1

σ_0cp²/σ_1cp²=4000; α_cp=0,5.

Для этих значений М_опт=48.

Пусть M₁=46; М₂=50.

2 Вычисляют логарифм отношения М₂/М₁.

Пример 2

М₂/М₁=50/46=1,08696.

ln(M₂/M₁)=0,083382.

3 Измеряют дисперсию шума (1), (2) в каждом из режимов М.

Пример 3

Истинное значение α_ист=0,52.

σ₀²=4001 отн. ед.; σ₁²=1,1 отн. ед.; σ²=σ₀²+σ₁²=4002,1.

Истинные значения =21043,9 отн. ед.; =25029 отн. ед. (2).

4 Вычисляют оценку параметра α по формуле (7).

Пример 4

Истинное значение α_ист=0,52.

Оценка .

Относительное отклонение оценки от истинного значения

.

При выборе рабочих значений M₁ и М₂ следует учитывать, что этот выбор зависит от точности измерения отношения М₂/М₁.

Пример 5

σ_0ср²=4000; σ_1cp²=1; α_ср=0,5.

Фактические значения этих параметров

σ₀²=4001; σ₁²=1,1; α=0,52.

Установленные значения M₁=30; М₂=60.

Истинные значения =9805,145; =37292,536; σ²=4002,1

Оценка α по формуле (10)

α*=0,520225776.

Абсолютная системная погрешность определения α

Δα=α*-α=0,000226.

Относительная системная погрешность

δα=ΔФ/α=4,5⋅10^-4 (0,045%).

Реальная погрешность измерения α зависит от ошибки измерения составляющих формулы (7). Их вклад в суммарную погрешность не одинаков. На фиг. 2 приведена гистограмма относительного влияния этих составляющих на абсолютную погрешность Δα. Для оценки такого влияния принято отклонение каждой из составляющих на 0,1%.

Отклонения M₁ и М₂ от номинальных значений (позиции 1 и 2 на гистограмме фиг. 2) не влияют на итоговую погрешность Δα, поскольку эти отклонения компенсируются изменением дисперсий шума, и оценка α сохраняет истинное значение. Погрешность измерения дисперсий и отражается на итоговом результате в значительной степени (позиции 3 и 4); при этом следует учитывать, что они разнонаправлены и могут взаимно компенсироваться. Погрешность σ² (позиция 5) сказывается в меньшей степени, так как σ*²<σ_М².

Особенно критичен результат измерения α к отклонению параметра М₂/М₁ (позиция 6 на гистограмме фиг. 2).

Пример 6

В условиях Примера 5 при отклонении отношения М₂/М₁ от номинального значения на 0,1% оценка а отклоняется на 0,36%.

Влияние фактора М₂/М₁ зависит от разности М₂-M₁ между установленными значениями M₁ и М₂ (фиг. 3) и от отношения фактического (М₂/М₁)_факт и номинального (M₂/M₁)_номин значений этого параметра θ=(М₂/М₁)_факт/(М₂/М₁)_номин.

При θ=1 наибольшая точность достигается при минимальном значении М₂-M₁.

При уменьшении θ область оптимума М₂-M₁ смещается в сторону увеличения этой разности.

Пример 7

При фиксированном значении М₂=60 и θ=0,999 область оптимальных значений M₁ лежит в пределах от M₁=20 до M₁=35 (фиг. 3), что соответствует номинальному значению (M₂/M₁)_номин=1,7…3. При этом ошибка определения α за счет этого фактора не превышает 0,06%. При …θ=0,9999 оптимальный диапазон M₁ лежит в пределах от M₁=35 до M₁=50, что соответствует (M₂/M₁)_номин=1,2…1,7. При этом ошибка определения а не превышает 0,02% в указанном диапазоне M₁ и (М₂/М₁)_номин.

Порядок осуществления способа иллюстрируется структурой фиг. 4.

Способ осуществляется в системе фотоприемного устройства и может применяться при проведении исследований, проектировании и производстве аппаратуры переключением работы фотоприемного устройства из штатного режима приема сигналов в режим контроля шум-фактора согласно данному способу.

Возможный вариант измерительной структуры по предлагаемому способу (фиг. 4) содержит проверяемый лавинный фотодиод 1, выход которого через усилитель 2 и эталонный ослабитель 3 подключен к входам датчика дисперсии шума 4 и датчика лавины 5. Выходы датчиков связаны с преобразователем данных 6 подключенным к блоку управления лавиной 7 и решающему устройству 8, также связанному с блоком управления лавиной, управляющим режимом лавинного фотодиода 1. Результаты обработки данных с выхода решающего устройства поступают на оконечное устройство 9, осуществляющее вывод результатов. Работа перечисленных блоков управляется программным устройством 10. С лавинным фотодиодом оптически связан опорный излучатель 11 со схемой питания 12.

Способ осуществляется следующим образом.

По команде с программного устройства 10 на блок управления лавиной 7 устанавливается режим М=1 фотодиода 1 и открывается эталонный ослабитель 3. Шум фотодиода 1 и усилителя 2 поступает на датчик дисперсии 4, и результат измерения σ² через преобразователь данных 6 передается в цифровой форме в решающее устройство 8. Затем по команде программного устройства в момент времени t₁ (фиг. 1) на блок управления лавиной устанавливается лавинный режим M₁ по данным с датчика лавины 5, измеряющего уровень сигнала от опорного излучателя 11, и датчик дисперсии определяет в этом режиме дисперсию шума , аналогично σ² поступающую в решающее устройство. В момент времени t₂ по команде с программного устройства включается ослабление K эталонного ослабителя 3, уменьшающего коэффициент передачи тракта в K=М₂/М₁ раз. По данным с датчика лавины 5 блок управления лавиной 7 устанавливает такой режим фотодиода 1, при котором уровень сигнала от опорного излучателя равен уровню в режиме М₁ Тем самым, устанавливается лавинный режим М₂, после чего программное устройство открывает эталонный ослабитель 3, датчик дисперсии определяет дисперсию и передает этот результат в решающее устройство 8, по этим данным вычисляющее величину α по формуле (7). Результат вычисления выдается в оконечное устройство 9.

Данным методом коэффициент лавинного умножения M₁ устанавливается в относительно широких разрешенных пределах (см. Пример 7), а заданное отношение М₂/М₁ поддерживается с весьма высокой точностью, определяемой точностью воспроизведения коэффициента K эталонного ослабителя отношению М₂/М₁.

Устройства, реализующие способ, обладают минимальным временем выхода на рабочий режим. Способ может быть реализован в составе штатного фотоприемного устройства, то есть, именно в той структуре, которая подлежит исследованию.

Таким образом, способ обеспечивает решение поставленной задачи - оперативное определение постоянного параметра α шум-фактора лавинного умножения в процессе проектирования, производства и обслуживания аппаратуры без привлечения специального измерительного оборудования и средств его метрологического обеспечения.

Источники информации

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

2 Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ. - М: Радио и связь, 1989. - С. 340.

3 Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды. Москва, Физматгиз. 2011, - С. 201-209.

4 Патент РФ №2248670.

5 Насонов B.C. Справочник по радиоизмерительным приборам. - М.: Советское радио, 1976, т. 1., 234 с.

6 Усков А.А. Измерение фактора избыточного шума лавинного фотодиода. ФГАО УВО «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет», Новосибирск, 2016.

7 Яковлева Н.И. и др. Исследование фотодиодных лавинных элементов матричных фотоприемных устройств на основе гетероэпитаксиальных структур InGaAs. Успехи прикладной физики, 2014, том 2, №4., с. 374-382.

8 Останин С.А. Метод измерения малых значений дисперсии белого шума в смеси с гармоническим сигналом. Известия алтайского государственного университета. 2011, №1, С. 174-175.

9 Степанов А.В. Электрические шумы. Спецпрактикум кафедры физики колебаний физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, 2003. - С. 17-22.

10 Способ обнаружения оптических сигналов. Патент РФ №2755601 - прототип.

Изобретение относится к технике выделения сигналов из шума и может быть использовано в любой области, где требуется определение параметров шума. Способ приема оптических сигналов, включающий прием сигналов с помощью лавинного фотодиода в режиме лавинного умножения: поочередно устанавливают коэффициент лавинного умножения М=1, M₁>1 и М₂>M₁, в каждом из этих режимов определяют квадрат среднеквадратического значения шума σ²(М=1)=σ², σ²(M=M₁)=σ₁² и σ²(М=М₂)=σ₂², после чего вычисляют параметр α шум-фактора лавинного умножения F=М^α по формуле , причем коэффициент лавинного умножения M₁ устанавливают в заданном интервале, а затем устанавливают коэффициент М₂ путем сравнения отношения М₂/М₁ с эталоном. Технический результат изобретения - оперативное определение параметров флуктуационного шума при построении миниатюрной, в том числе носимой и встраиваемой, аппаратуры, работающей в широком диапазоне климатических условий. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода в режиме лавинного умножения, отличающийся тем, что поочередно устанавливают коэффициент лавинного умножения M=1, M₁>1 и М₂>M₁, в каждом из этих режимов определяют квадрат среднеквадратического значения шума σ²(М=1)=σ², σ²(M=M₁)=σ₁² и σ²(М=М₂)=σ₂², после чего вычисляют параметр α шум-фактора лавинного умножения F=М^α по формуле , причем коэффициент лавинного умножения M₁ устанавливают в заданном интервале, а затем устанавливают коэффициент М₂ путем сравнения отношения М₂/М₁ с эталоном.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величины M₁ и М₂ устанавливают в области рабочего значения коэффициента лавинного умножения так, что М₂=(1,1-3)М₁.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве эталона используют эталонный ослабитель сигнала кратностью K, а коэффициент М₂ устанавливают, обеспечивая равенство выходных сигналов от опорного излучателя в режимах M₁ и М₂/К.