DE4121400C1

DE4121400C1 - Regulating amplification of avalanche diode in optical preamplifier - setting bias from signal derived from comparison of stipulated value and signal derived from noise voltage at output when no optical signal is at input

Info

Publication number: DE4121400C1
Application number: DE19914121400
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. 7150 Backnang De Feldhaus
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1992-12-17
Anticipated expiration: 2011-06-29

Abstract

The avalanche photodiode (APD) in an optical preamplifier (OVV) is regulated by the bias voltage. A signal is derived from the noise voltage on the output of the optical preamplifier, in the absence of an optical input signal. This signal is compared with a nominal or requried value and a regulating signal is produced from the result. The bias voltage of the avalanches photodiode is set by means of the regulating signal so that the signal derived from the noise voltage agrees with the required value (of the voltage). The regulation of the bias voltage is time to occur in short intervals when there is no optical input signal and, otherwise, the bias voltage is kept constant.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Verstärkung einer Lawinenphotodiode, bei dem eine Regelung der Vorspannung der Lawinenphotodiode durchgeführt wird und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, sowie Anwendungen des Verfahrens.The invention relates to a method for regulating the Amplification of an avalanche photodiode, in which regulation of the Biasing the avalanche photodiode is performed and a Arrangement for performing the method, as well as applications of the procedure.

Aus der EP 2 82 801 A1 ist eine Regelung des Multiplikationsfaktors von Lawinenphotodioden in optischen Empfängern bekannt. Dabei wird die Vorspannung geregelt, da der Multiplikationsfaktor von dieser abhängig ist. Der Vorspannung wird ein niederfrequentes Signal geringer Amplitude überlagert und dessen Dämpfung durch die Lawinen photodiode festgestellt und mit einem Normwert verglichen. Abweichungen vom Normwert äußern sich in einem mehr oder weniger großen Vergleichssignal, das zur Nachregelung der Vorspannung dient. Bei dieser Art der Verstärkung kann es nachteilig sein, daß dem Nutzsignal ein Signal überlagert wird.EP 2 82 801 A1 regulates the Multiplication factor of avalanche photodiodes in optical Known to recipients. The preload is regulated here the multiplication factor depends on this. The A low-frequency signal becomes less pretensioned Amplitude superimposed and its attenuation by the avalanches photodiode detected and compared with a standard value. Deviations from the standard value are expressed in a more or less large comparison signal that for readjustment of the Preload serves. With this type of reinforcement it can be disadvantageous that a signal is superimposed on the useful signal becomes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der Verstärkung einer Lawinenphotodiode, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens und Anwendungen des Verfahrens anzugeben.The invention has for its object a method for Regulation of the gain of an avalanche photodiode, as well as a Arrangement for performing the method and applications of the Procedure.

Die Aufgabe wird gelöst bezüglich des Verfahrens durch Anspruch 1, bezüglich der Anordnung durch die Ansprüche 3 und 4 und bezüglich der Anwendung durch die Ansprüche 6 und 7. Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist in Anspruch 2 und eine vorteilhafte Weiterbildung der Anordnung in Anspruch 5 angegeben.The problem is solved with regard to the method by Claim 1, regarding the arrangement by claims 3 and 4 and with regard to the application by claims 6 and 7. An advantageous further development of the method is claimed 2 and an advantageous development of the arrangement in Claim 5 specified.

Die Lawinenverstärkung einer Lawinenphotodiode wird über die Vorspannung der Lawinenphotodiode eingestellt. Durch Exemplarstreuungen muß diese Vorspannung bei unterschiedlichen Exemplaren des gleichen Photodiodentyps für den gleichen Multiplikationsfaktor unterschiedlich sein. Die optimale Empfindlichkeit eines optischen Vorverstärkers mit einer Lawinenphotodiode ergibt sich bei einem optimalen Multiplikationsfaktor.The avalanche amplification of an avalanche photodiode is via the Bias of the avalanche photodiode set. By Variations in specimens must have this preload at different Copies of the same type of photodiode for the same Multiplication factor may be different. The optimal one Sensitivity of an optical preamplifier with a Avalanche photodiode results from an optimal one Multiplication factor.

Es wird ein Verfahren zur Regelung der Verstärkung einer Lawinenphotodiode angegeben, das besonders geeignet ist für Übertragungen oder Anwendungen, bei denen sich Lücken im an der Photodiode anliegenden optischen Signal ergeben. Diese Lücken können definiert an zeitlich festen Stellen auftreten, oder sie können undefiniert auftreten, müssen aber leicht erkennbar sein. Ein Beispiel einer solchen lückenhaften Übertragung ist eine Videosignalübertragung. Auch bei der Rückstreumessung ist nur zeitweise ein optisches Signal vorhanden, das dann verstärkt und ausgewertet wird. In den Lücken des optischen Signals, d. h. wenn an der Photodiode kein optisches Signal anliegt, findet erfindungsgemäß die Regelung der Vorspannung statt. Die Regelung wird also mit Abstand für jeweils einen kurzen Zeitraum eingeschaltet. Es ist zweckmäßig, die Regelung in regelmäßigen Zeitabständen einzuschalten (z. B. alle 500 ms für 20 ms). Die Zeitabstände zwischen den Zeiträumen in denen die Regelung eingeschaltet ist, dürfen dabei einen maximalen Wert, der von der gewünschten Genauigkeit der Regelung abhängt, nicht überschreiten. Wenn die Regelung eingeschaltet ist, darf kein optisches Eingangssignal vorhanden sein. Die wird mittels einer Steuerung überwacht, die das Ein- und Ausschalten der Regelung steuert und dafür sorgt, daß die Regelung beispielsweise in den Lücken eines übertragenen Videosignals stattfindet. Die Vorspannung der Lawinenphotodiode wird mit der Regelung so eingestellt, daß die Rauschspannung am Ausgang des optischen Vorverstärkers mit einem Sollwert übereinstimmt. Der Sollwert entspricht zweckmäßigerweise dem Rauschpegel bei optimalem Multiplikationsfaktor, bzw. ist von diesem Rauschpegel abgeleitet. Die Rauschspannung am Ausgang des optischen Vorverstärkers ist von der Lawinenverstärkung abhängig, so daß mit dieser Regelung eine bestimmte Lawinenverstärkung eingestellt wird. Die Rauschspannung wird konstant gehalten. Der Sollwert wird als Gleichspannung vorgegeben und kann entweder rechnerisch oder experimentell bestimmt werden. Da der Dunkelstrom der Lawinenphotodiode temperaturabhängig ist, ändert sich die eingestellte Lawinenverstärkung natürlich mit der Temperatur. Dadurch, daß jedoch die Rauschspannung konstant gehalten wird, bleibt der Multiplikationsfaktor bezüglich der Temperaturdrift in der Nähe des Optimums. Die Regelung wird über eine Steuerung, die einen Schalter betätigt, ein- und ausgeschaltet. Im ausgeschalteten, ungeregelten Zustand wird die Vorspannung der Lawinenphotodiode mit einem Kondensator des Integrators der Integralregelung konstant gehalten.There is a method for controlling the gain of a Avalanche photodiode specified, which is particularly suitable for Transmissions or applications where there are gaps in the the optical signal applied to the photodiode. These Gaps can occur at fixed points in time, or they can appear undefined but have to be light be recognizable. An example of such a sketchy Transmission is a video signal transmission. Even with the Backscatter measurement is only an optical signal at times available, which is then strengthened and evaluated. In the Gaps in the optical signal, i. H. if at the photodiode According to the invention, there is no optical signal Regulation of the bias instead. The scheme is also with Distance switched on for a short period of time. It it is advisable to regulate at regular intervals switch on (e.g. every 500 ms for 20 ms). The time intervals between the periods in which the scheme is switched on is a maximum value that is different from the desired accuracy of the control depends, not exceed. If the control is switched on, no optical input signal. That is by means of a controller that monitors the switching on and off of the Regulation controls and ensures that the regulation for example in the gaps of a transmitted video signal takes place. The bias of the avalanche photodiode is with the control set so that the noise voltage at the output of the optical preamplifier matches a setpoint. The setpoint expediently corresponds to the noise level optimal multiplication factor, or is from this Noise level derived. The noise voltage at the output of the optical preamplifier is avalanche amplification dependent, so that with this regulation a certain Avalanche reinforcement is set. The noise voltage will kept constant. The setpoint is called DC voltage given and can be either arithmetic or experimental be determined. Because the dark current of the avalanche photodiode is temperature-dependent, the set changes Avalanche intensification with temperature, of course. As a result of that however, the noise voltage is kept constant, the Multiplication factor regarding the temperature drift in the Proximity of the optimum. The scheme is controlled by a controller that operated a switch, on and off. in the switched off, unregulated state, the bias of the Avalanche photodiode with a capacitor of the integrator Integral control kept constant.

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigt:Using the drawings, an embodiment of the Invention explained. It shows:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regelung und Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Regelung. Fig. 1 is a block diagram of a control according to the invention and Fig. 2 is a schematic circuit diagram of a control according to the invention.

In einem optischen Vorverstärker OVV ist eine Lawinenphotodiode APD vorgesehen. Die Verstärkung der Lawinenphotodiode APD soll geregelt werden. Dies erfolgt in Form einer Regelung der Vorspannung der Lawinenphotodiode APD. Dazu wird eine Art Intervallregelung eingesetzt, die mit einem Analogschalter 4 ein- und ausgeschaltet werden kann. Der Analogschalter 4 wird über einen Steuereingang St derart betätigt, daß die Regelung der Vorspannung nur eingeschaltet wird, wenn kein optisches Eingangssignal an der Lawinenphotodiode APD vorliegt. Wenn kein optisches Eingangssignal an der Lawinenphotodiode APD vorliegt, so liegt am Ausgang des optischen Vorverstärkers OVV eine Rauschspannung an. Diese wird einem Kondensator 1 zur Gleichspannungsabtrennung zugeführt. Das gewonnene Signal wird dann in einer Anordnung 2 zur Ableitung des Betragsmittelwertes verarbeitet und ein Gleichspannungssignal erzeugt. Dieses wird einem Differenzverstärker 3 zugeführt, der den Betragsmittelwert mit einem Sollwert So vergleicht. Im Differenzverstärker 3 wird ein Vergleichssignal erzeugt, das dann einem Integrator 5 zugeführt wird, der aus dem Vergleichssignal das Regelsignal erzeugt und die Vorspannung der Lawinenfotodiode APD mit diesem Regelsignal regelt. Falls die Regelung der Vorspannung ausgeschaltet ist, so sorgt der Integrator für die Konstanthaltung der Vorspannung der Lawinenphotodiode.An avalanche photodiode APD is provided in an optical preamplifier OVV. The gain of the avalanche photodiode APD is to be regulated. This takes the form of regulation of the bias voltage of the avalanche photodiode APD. A type of interval control is used for this, which can be switched on and off with an analog switch 4 . The analog switch 4 is actuated via a control input St such that the regulation of the bias voltage is only switched on when there is no optical input signal at the avalanche photodiode APD. If there is no optical input signal at the avalanche photodiode APD, a noise voltage is present at the output of the optical preamplifier OVV. This is fed to a capacitor 1 for DC voltage isolation. The signal obtained is then processed in an arrangement 2 to derive the mean value and a DC voltage signal is generated. This is fed to a differential amplifier 3 which compares the mean value with a target value So. In the differential amplifier 3 , a comparison signal is generated, which is then fed to an integrator 5 , which generates the control signal from the comparison signal and regulates the bias of the avalanche photodiode APD with this control signal. If the regulation of the bias voltage is switched off, the integrator ensures that the bias voltage of the avalanche photodiode is kept constant.

In Fig. 2 ist die eben beschriebene Schaltungsanordnung etwas genauer dargestellt, wobei in der Anordnung 2′ die Ableitung des Effektivwertes erfolgt (im Unterschied zur Ableitung des Betragsmittelwertes in der Anordnung 2 der Fig. 1).In Fig. 2 the circuit arrangement just described is shown somewhat more precisely, with the arrangement of the effective value being derived in arrangement 2 '(in contrast to the derivation of the mean value in arrangement 2 of Fig. 1).

Claims

1. A method for regulating the gain of an avalanche photodiode in an optical preamplifier, in which the bias voltage of the avalanche photodiode is regulated, characterized in that

a signal is derived from the noise voltage present at the output of the optical preamplifier (OVV) without an optical input signal, which signal is compared with a desired value,
a corresponding control signal is generated from the comparison signal,
that the bias voltage of the avalanche photodiode (APD) is set by means of the control signal so that the signal derived from the noise voltage corresponds to the target value,
that the regulation of the bias voltage is switched on at intervals for a short period in which there is no optical signal,
- And that the bias voltage of the avalanche photodiode (APD) is kept constant in the periods in which the regulation of the bias voltage is not switched on.

2. The method according to claim 1, characterized in that the Regulation of the preload at regular intervals is switched on.

3. Arrangement for performing a method according to claims 1 or 2, characterized in that the output of the optical preamplifier (OVV) is connected to a capacitor ( 1 ) for DC voltage isolation, that an arrangement ( 2 ) is provided for deriving the mean value, which is connected to a differential amplifier ( 3 ) which compares a target value (So) with the mean value and generates a comparison signal that an analog switch ( 4 ) is provided which is actuated via a control input (St) in such a way that the regulation of the bias voltage is only switched on when there is no optical input signal and that an integrator ( 5 ) is provided which generates the control signal from the comparison signal of the differential amplifier ( 3 ) and regulates the bias voltage of the avalanche photodiode (APD) with this control signal and that the integrator ( 5 ) keeps the preload constant if the regulation of the preload is switched off.

4. Arrangement for carrying out a method according to claims 1 or 2, characterized in that the output of the optical preamplifier (OVV) is connected to a capacitor ( 1 ) for DC voltage isolation, that an arrangement ( 2 ) is provided for deriving the effective value, which is connected to a differential amplifier ( 3 ) which compares a target value (So) with the mean value and generates a comparison signal that an analog switch ( 4 ) is provided which is actuated via a control input (St) in such a way that the regulation of the bias voltage is only switched on when there is no optical input signal and that an integrator ( 5 ) is provided which generates the control signal from the comparison signal of the differential amplifier ( 3 ) and regulates the bias voltage of the avalanche photodiode (APD) with this control signal and that the integrator ( 5 ) keeps the preload constant if the regulation of the preload is switched off.

5. Arrangement according to one of claims 3 or 4, characterized characterized in that the setpoint from the noise level at optimal Gain factor is derived.

6. Application of the procedure for regulating the gain of a Avalanche photodiode according to claims 1 or 2 in one optical preamplifier of a backscatter meter.

7. Application of the procedure for regulating the amplification of a Avalanche photodiode according to claims 1 or 2 in the Transmission of video or television signals.