ES2386732A1 - Laser receiving apparatus based on an avalanche photodiode thermally regulated with embedded control - Google Patents
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Abstract
Description
Aparato receptor láser basado en fotodiodo de avalancha termorregulado con control embebido Laser receiving device based on thermoregulated avalanche photodiode with embedded control
Campo de la invención Field of the Invention
La invención presentada, se enmarca en el campo de la industria electrónica de las comunicaciones ópticas de alta velocidad mediante demoduladores de haces luminosos basados en fotodiodos de avalancha. The invention presented is framed in the field of the high speed optical communications electronic industry by means of light beam demodulators based on avalanche photodiodes.
Antecedentes de la invención Background of the invention
Un fotodiodo de avalancha o diodo APD (del inglés "Avalanche PhotoDiode"), es un dispositivo de estado sólido que aprovecha el mecanismo de multiplicación por avalancha para conseguir sensibilidades muy superiores (de 1 00 a 200 veces mayor), a las que muestran los fotodiodos de silicio convencionales. Para conseguir activar los mecanismos de avalancha, es necesario polarizarlo con altas tensiones entre los 50 y los 200 voltios. La sensibilidad de un fotodiodo de avalancha (mayor de 50A/W), permite detectar señales luminosas de muy baja potencia radiante por lo que estos dispositivos se presentan como buenos candidatos para el procesamiento de señales láser moduladas de baja energía. An avalanche photodiode or APD diode (from the English "Avalanche PhotoDiode"), is a solid-state device that takes advantage of the mechanism of avalanche multiplication to achieve much higher sensitivities (from 1 to 200 times higher), which show the conventional silicon photodiodes. In order to activate the avalanche mechanisms, it is necessary to polarize it with high voltages between 50 and 200 volts. The sensitivity of an avalanche photodiode (greater than 50A / W), allows to detect light signals of very low radiant power so these devices are presented as good candidates for the processing of low-energy modulated laser signals.
Un haz láser modulado se propaga por una fibra óptica o por el espacio libre atenuándose por dispersión. Así, un receptor remoto recibe sólo una porción de la energía transmitida. La dispersión de un láser en la atmósfera es mucho mayor cuando aparecen elementos en suspensión tales como el agua. Con una niebla densa, se producen atenuaciones superiores a los 40dB/km y la potencia recibida puede dividirse por factores de 100 o superiores. A modulated laser beam is propagated by an optical fiber or free space attenuated by dispersion. Thus, a remote receiver receives only a portion of the transmitted energy. The dispersion of a laser in the atmosphere is much greater when suspended elements such as water appear. With a dense fog, attenuations greater than 40dB / km occur and the received power can be divided by factors of 100 or higher.
Los fotodiodos de avalancha tienen un gran rango dinámico en la detección de niveles luminosos. Es posible barrer varias décadas (potencias radiantes por ejemplo desde los nanowatios a los miliwatios) sin que se presenten fenómenos de saturación. Para hacer mediciones precisas en la potencia radiante detectada es necesario recurrir a amplificadores logarítmicos. Avalanche photodiodes have a large dynamic range in the detection of light levels. It is possible to sweep several decades (radiant powers for example from nanowatios to milliwatts) without saturation phenomena. To make precise measurements on the detected radiant power it is necessary to resort to logarithmic amplifiers.
Los fotodiodos de avalancha de silicio actuales permiten una gran respuesta en frecuencia (varios gigahertzios), siendo su capacidad total inferior al picofaradio. Las áreas activas a exponer a la luz se reducen a medida que aumenta la respuesta en frecuencia. Se debe disponer de mecanismos ópticos de focalización que permitan la captación máxima de energía en esas áreas. The current silicon avalanche photodiodes allow a great frequency response (several gigahertz), with their total capacity being less than picofarads. The active areas to be exposed to light are reduced as the frequency response increases. Optical targeting mechanisms must be available that allow maximum energy uptake in these areas.
El procesamiento de la corriente producida por un fotodiodo de avalancha se The processing of the current produced by an avalanche photodiode is
realiza con amplificadores a transimpedancia en los que se transforma la corriente generada en tensión. Existen amplificadores integrados que poseen muy altos productos ganancia-ancho de banda que permiten implementar grandes factores de transimpedancia en una sola etapa con tensiones de ruido de entrada menores de un nV/Hz112. performed with transimpedance amplifiers in which the current generated is transformed into voltage. There are integrated amplifiers that have very high gain-bandwidth products that allow to implement large transimpedance factors in a single stage with input noise voltages lower than an nV / Hz112.
Un haz láser viajando por el espacio libre no sólo sufre perturbaciones debidas a la dispersión del medio; también interacciona con otras fuentes luminosas y, en especial con el sol. El sol emite radiación en todo el espectro electromagnético por lo que, en el caso en que un haz de luz solar siga la misma dirección de un haz láser modulado, las energías de ambos se suman en el detector. Esta suma se corresponde con una componente de energía continua debida fundamentalmente al sol y otra modulada por el láser que se traducen, tras la conversión electro-óptica, en una componente de corriente continua y otra componente de corriente alternada. Para eliminar la posible influencia de la luz solar en el circuito demodulador, hay que recurrir a soluciones electrónicas de compensación que separen ambas componentes. La corriente alternada detectada en su valor RMS nos da la potencia media de la señal modulada recibida. A laser beam traveling through free space not only suffers disturbances due to the dispersion of the medium; It also interacts with other light sources and, especially with the sun. The sun emits radiation throughout the electromagnetic spectrum so that, in the event that a beam of sunlight follows the same direction of a modulated laser beam, the energies of both add up in the detector. This sum corresponds to a component of continuous energy due mainly to the sun and another modulated by the laser that are translated, after the electro-optical conversion, into a component of direct current and another component of alternating current. To eliminate the possible influence of sunlight on the demodulator circuit, we must resort to electronic compensation solutions that separate both components. The alternating current detected in its RMS value gives us the average power of the received modulated signal.
Un fotodiodo de avalancha de silicio posee una amplia respuesta espectral pudiendo ser fabricado con máximos espectrales en el rango visible e infrarrojo. Si se usa un haz láser de luz monocromática, es conveniente sintonizar el máximo espectral con la longitud de onda transmitida y usar filtros ópticos pasa banda que eliminen las componentes luminosas perturbadoras de otras frecuencias a las que sigue siendo sensible el fotodiodo. A silicon avalanche photodiode has a wide spectral response and can be manufactured with spectral maximums in the visible and infrared range. If a monochromatic laser beam is used, it is convenient to tune the spectral maximum with the transmitted wavelength and use band pass optical filters that eliminate the disturbing light components of other frequencies to which the photodiode is still sensitive.
La sensibilidad de un fotodiodo de avalancha es fuertemente dependiente de la temperatura. El factor de multiplicación por avalancha se ve afectado por los cambios térmicos por lo que es conveniente mantener al fotodiodo a una temperatura estable si queremos que su sensibilidad no cambie. También puede cambiarse el factor de multiplicación para diferentes temperaturas pero con el consiguiente cambio térmico y la aparición de procesos de envejecimiento. La estabilidad en la señal de salida también implica el uso de amplificadores conformadores de onda basados en la comparación por umbral. Si los niveles de la señal detectada no superan un umbral, la señal no es aceptada para su procesamiento. The sensitivity of an avalanche photodiode is strongly temperature dependent. The avalanche multiplication factor is affected by thermal changes, so it is convenient to keep the photodiode at a stable temperature if we want its sensitivity not to change. The multiplication factor can also be changed for different temperatures but with the consequent thermal change and the appearance of aging processes. Stability in the output signal also involves the use of waveform amplifiers based on threshold comparison. If the levels of the detected signal do not exceed a threshold, the signal is not accepted for processing.
Analíticamente, la fotocorriente Ir que circula por un fotodiodo de avalancha Analytically, the Ir photocurrent that circulates through an avalanche photodiode
cuando sobre él incide luz es la corriente que se añade a la corriente denominada when light falls on it, it is the current that is added to the current called
'oscura' o corriente que circula por el fotodiodo cuando sobre él no incide luz. La corriente oscura lo de un fotodiodo de avalancha se debe a dos mecanismos físicos: una corriente de fuga superficial Iz, y otra que ocurre en la región de avalancha lA que se ve afectada por la tensión de polarización: lo = II +M ·IA (1 ) siendo M el factor de multiplicación por avalancha. 'dark' or current that circulates through the photodiode when no light falls on it. The dark current of an avalanche photodiode is due to two physical mechanisms: a surface leakage current Iz, and another that occurs in the avalanche region lA that is affected by the polarization voltage: lo = II + M · IA (1) M being the multiplication factor per avalanche.
La corriente oscura en un fotodiodo de avalancha pone límite al nivel de fotocorriente detectable. Los fotodiodos actuales poseen corrientes oscuras por debajo de los 100 picoamperios con factores M = 100 o mayores. Lo que significa que los The dark current in an avalanche photodiode limits the level of detectable photocurrent. Current photodiodes have dark currents below 100 peak amps with factors M = 100 or greater. Which means that the
límites de detección de estos dispositivos se encuentran en algunos picowatios de potencia luminosa detectable. El ruido 'shot' 15 de un fotodiodo de avalancha es superior al de un fotodiodo convencional debido a los mecanismos de avalancha: Detection limits of these devices are found in some picowatios of detectable light output. The 'shot' noise 15 of an avalanche photodiode is superior to that of a conventional photodiode due to avalanche mechanisms:
(2) (2)
donde q es la carga del electrón, Wel ancho de banda y F el denominado 'factor de ruido en exceso' que, en primera aproximación puede expresarse en función del factor de multiplicación por avalancha: where q is the charge of the electron, Wel bandwidth and F the so-called 'excess noise factor' which, in the first approximation, can be expressed as a function of the avalanche multiplication factor:
(3) (3)
donde x es un exponente menor que la unidad. Puesto que la fotocorriente Ir se where x is an exponent smaller than unity. Since the photocurrent Ir is
incrementa con el factor de multiplicación M, es de esperar que exista un M óptimo. Existirá también una relación señal/ruido óptima para un factor de multiplicación dado. La relación señal/ruido de un fotodiodo de avalancha viene dada por: increases with the multiplication factor M, it is expected that there is an optimal M. There will also be an optimal signal / noise ratio for a given multiplication factor. The signal / noise ratio of an avalanche photodiode is given by:
(4) (4)
donde el primer y segundo miembro del denominador se corresponde con el ruido 'shot' y el tercero con el ruido térmico, siendo k la constante de Boltzman, T la temperatura absoluta y R¡ el valor de la resistencia de carga por la que circula la corriente del fotodiodo. Se puede demostrar con relativa facilidad que el factor de multiplicación por avalancha óptimo Móptimo se obtiene maximizando la expresión (4) where the first and second member of the denominator corresponds to the 'shot' noise and the third to the thermal noise, with Boltzman's constant, T being the absolute temperature and R¡ the value of the load resistance through which the photodiode current. It can be demonstrated with relative ease that the optimal optimal avalanche multiplication factor is obtained by maximizing the expression (4)
siendo éste: being this:
(5) (5)
en donde se ha despreciado el término asociado a la corriente de fugas li por no ser relevante. Por otro lado, el mantenimiento de los niveles de ruido externo dentro de límite razonables y para evitar la aparición de espigas y transitorios de conmutación a través de la alimentación, es conveniente utilizar esquemas de prerregulación y reguladores de bajo ruido dedicados a elementos funcionales específicos. En esta invención se aborda y resuelve el problema técnico de todo el conjunto de variables que afectan a la estabilidad en la sensibilidad de un fotodiodo de avalancha cuando este recibe luz láser modulada contaminada por una componente solar. En concreto se resuelven los siguientes problemas: where the term associated with the leakage current li has been neglected for not being relevant. On the other hand, the maintenance of external noise levels within reasonable limits and to avoid the appearance of spikes and switching transients through the power supply, it is convenient to use pre-regulation schemes and low-noise regulators dedicated to specific functional elements. In this invention, the technical problem of the whole set of variables that affect the sensitivity stability of an avalanche photodiode when it receives modulated laser light contaminated by a solar component is addressed and solved. Specifically, the following problems are solved:
- 1. one.
- La posibilidad de fijar la sensibilidad y la ganancia del fotodiodo de avalancha para trabajar en rangos de luminosidad recibida de al menos cinco décadas partiendo de los nanovatios. The possibility of setting the sensitivity and the gain of the avalanche photodiode to work in ranges of brightness received from at least five decades from the nanowatts.
- 2. 2.
- La posibilidad de eliminar componentes luminosas no moduladas, en especial la componente solar. The possibility of eliminating unmodulated light components, especially the solar component.
- 3. 3.
- Para una potencia radiante recibida, fijar la sensibilidad y la ganancia manteniéndolas estables frente a cambios térmicos. For a radiant power received, set the sensitivity and the gain keeping them stable against thermal changes.
- 4. Four.
- La posibilidad de cambiar la sensibilidad en función de la potencia radiante recibida con el fin de optimizar la relación señal/ruido. The possibility of changing the sensitivity depending on the radiant power received in order to optimize the signal / noise ratio.
- 5. 5.
- Realizar estas tareas de forma automática bajo el control de un microcontrolador. Perform these tasks automatically under the control of a microcontroller.
Descripción de la invención Description of the invention
En esta invención se presenta un aparato receptor basado en fotodiodo de avalancha termorregulado con control embebido. El aparato receptor recibe luz láser modulada en formato binario focalizada en la superficie activa de un fotodiodo de avalancha a partir de un sistema óptico formado por una lente convergente y una lente hemisférica que recogen la luz y la dirigen hacia el área activa del fotodiodo por una fibra de polímero. In this invention a receiver apparatus based on thermoregulated avalanche photodiode with embedded control is presented. The receiving apparatus receives binary format modulated laser light focused on the active surface of an avalanche photodiode from an optical system formed by a converging lens and a hemispherical lens that collect the light and direct it towards the active area of the photodiode by a polymer fiber
El aparato receptor es controlado por un microcontrolador en los parámetros de sensibilidad y ganancia, conteniendo elementos de control térmico, de control del factor de ganancia por avalancha y de control del factor de ganancia de la señal demodulada. El microcontrolador sensa la temperatura del fotodiodo de avalancha, su corriente de polarización, el valor de la componente de continua asociada a la componente solar, que debe ser eliminada, y el valor RMS de la señal recibida. El microcontrolador actúa sobre la temperatura del fotodiodo de avalancha mediante celdas peltier que lo enfrían o calientan, sobre la alta tensión de polarización que define el factor de multiplicación por avalancha y sobre la ganancia de la señal recibida para adaptarla a la etapa final en un formato diferencial estándar. The receiving apparatus is controlled by a microcontroller in the sensitivity and gain parameters, containing elements of thermal control, control of the gain factor by avalanche and control of the gain factor of the demodulated signal. The microcontroller senses the temperature of the avalanche photodiode, its polarization current, the value of the continuous component associated with the solar component, which must be eliminated, and the RMS value of the received signal. The microcontroller acts on the temperature of the avalanche photodiode by means of peltier cells that cool or heat it, on the high polarization voltage that defines the avalanche multiplication factor and on the gain of the received signal to adapt it to the final stage in a format standard differential
El fotodiodo de avalancha se polariza con una fuente de alta tensión controlada por el microcontrolador. De esta manera se define el factor de multiplicación por avalancha M(Vp01 )' obteniéndose una fotosensibilidad PM en amperios/watio del tipo: The avalanche photodiode is polarized with a high voltage source controlled by the microcontroller. In this way the multiplication factor is defined by avalanche M (Vp01) 'obtaining a photosensitivity PM in amps / watt of the type:
(6) (6)
donde Prn=l es la fotosensibilidad del fotodiodo de avalancha en ausencia de polarización. La fotocorriente que circula por el fotodiodo 1, en amperios viene dada where Prn = l is the photosensitivity of the avalanche photodiode in the absence of polarization. The photocurrent that circulates through photodiode 1, in amps, is given
por la potencia radiante de luz recibida en watios multiplicada por la cantidad de la expresión (6). Dependiendo de la potencia radiante recibida y del factor de multiplicación, los valores de la fotocorriente pueden cambiar desde los nanoamperios a los miliamperios pasando por valores que comprenden más de seis décadas. Para sensar la fotocorriente generada, se incluye en esta invención un amplificador logarítmico que permite medirla con precisión en un amplio margen de corrientes. Esta fotocorriente es filtrada y enviada al microcontrolador para su lectura y valoración. by the radiant power of light received in watts multiplied by the amount of the expression (6). Depending on the radiant power received and the multiplication factor, the values of the photocurrent can change from nanoamps to milliamps through values that comprise more than six decades. For sensing the generated photocurrent, a logarithmic amplifier is included in this invention that allows it to be measured accurately over a wide range of currents. This photocurrent is filtered and sent to the microcontroller for reading and evaluation.
La fotocorriente es transformada en fototensión mediante un amplificador a transimpedancia de entrada diferencial con muy bajo nivel de ruido. La ganancia a transimpedancia de varios miles de unidades, transforma la corriente al rango entre los microvoltios y los voltios. La tensión obtenida contiene información de la señal modulada y de la componente de continua de la portadora luminosa con posibilidad de que contenga componentes debidas a otras fuentes no moduladas tales como el sol. Un circuito autocero o eliminador de la componente de continua basado en integrador, estima esa componente y la inyecta de nuevo en el amplificador diferencial a transimpedancia que provoca una diferencia con la corriente de entrada, eliminándola prácticamente de su salida. El valor de la componente de continua es enviado al microcontrolador para su lectura y valoración con el fin de estudiar la evolución de la componente solar durante el día para una orientación dada del receptor, Pero sólo con fines científicos. La componente solar es eliminada por el circuito autocero. Hay que orientar los dos transceptores que se comunican de forma que se evite un ángulo aproximado de 30° (movimiento de precesión de la tierra) en el que en dirección esteoeste el transceptor podría captar la incidencia del sol. Debido al movimiento de rotación de la tierra y en el caso de una orientación este-oeste dentro de este ángulo, esta incidencia solar dura solo unos minutos. The photocurrent is transformed into phototension by a differential input transimpedance amplifier with a very low noise level. The transimpedance gain of several thousand units transforms the current to the range between microvolts and volts. The voltage obtained contains information on the modulated signal and the continuous component of the light carrier with the possibility that it contains components due to other non-modulated sources such as the sun. An autocero or eliminator circuit of the integrator-based continuous component estimates that component and injects it back into the transimpedance differential amplifier that causes a difference with the input current, virtually eliminating it from its output. The value of the continuous component is sent to the microcontroller for reading and evaluation in order to study the evolution of the solar component during the day for a given orientation of the receiver, but only for scientific purposes. The solar component is eliminated by the autocero circuit. The two transceivers that communicate in a way that avoids an approximate angle of 30 ° (earth precession movement) in which the transceiver in the northwest direction could capture the incidence of the sun must be oriented. Due to the earth's rotation movement and in the case of an east-west orientation within this angle, this solar incidence lasts only a few minutes.
La señal demodulada libre de componente de continua se transforma a señal diferencial en una segunda etapa amplificadora con un circuito de entrada simple y de salida diferencial. Se obtiene así una señal diferencial necesaria para atacar a una tercera etapa formada por un amplificador de ganancia programable controlada por el microcontrolador conformándose, finalmente, en el circuito de salida que adapta niveles e impedancias para verificar un estándar. A la vez, la señal pasa por un detector RMS que calcula su valor cuadrático medio reflejando la potencia media recibida. Este valor de potencia es enviado al microcontrolador para su lectura y valoración. The demodulated signal free of the continuous component is transformed into a differential signal in a second amplifier stage with a simple input and differential output circuit. This gives a differential signal necessary to attack a third stage formed by a programmable gain amplifier controlled by the microcontroller, finally forming the output circuit that adapts levels and impedances to verify a standard. At the same time, the signal passes through an RMS detector that calculates its mean square value reflecting the average power received. This power value is sent to the microcontroller for reading and evaluation.
El aparato receptor presentado en esta invención efectúa tres lazos de control: uno térmico, otro de sensibilidad del fotodiodo y otro de ganancia RMS. El microcontrolador lee el estado térmico del fotodiodo de avalancha mediante sensores de temperatura y actúa a través de un circuito de control de potencia sobre un aparato termorregulador de flujo simétrico basado en celdas peltier que, cerrando el lazo, mantienen estable su temperatura. La fotosensibilidad del fotodiodo PM es programada The receiver apparatus presented in this invention makes three control loops: one thermal, one photodiode sensitive and one RMS gain. The microcontroller reads the thermal state of the avalanche photodiode by means of temperature sensors and acts through a power control circuit on a symmetric flow thermoregulator based on peltier cells that, by closing the loop, keep its temperature stable. The photosensitivity of the PM photodiode is programmed
por el microcontrolador a un valor determinado y la mantiene en un lazo de control cerrado sensando la corriente de polarización del fotodiodo a través del amplificador logarítmico y su filtro asociado. La ganancia RMS es programada por el microcontrolador en el amplificador de ganancia programable cerrando un tercer lazo de control con la medida de la potencia estimada por el detector RMS. by the microcontroller at a certain value and keeps it in a closed control loop sensing the polarization current of the photodiode through the logarithmic amplifier and its associated filter. The RMS gain is programmed by the microcontroller in the programmable gain amplifier by closing a third control loop with the measurement of the power estimated by the RMS detector.
Finalmente, el aparato receptor basado en fotodiodo de avalancha posee un esquema de alimentación libre de ruidos construida a partir de un esquema de prerregulación que lleva una tensión estable a un conjunto de reguladores de tensión de bajo ruido a los circuitos en los que el bajo ruido es un factor determinante. Todos los elementos que rodean al fotodiodo de avalancha exigen un tratamiento de bajo ruido: El generador de alta tensión, el amplificador logarítmico, el amplificador a transimpedancia con su etapa autocero, las etapas amplificadoras posteriores y el detector RMS. El microcontrolador posee una fuente independiente y los circuitos de potencia del termorregulador se alimentan con fuentes separadas. El termorregulador empleado puede ser, por ejemplo, el empleado en la solicitud de patente P201001621. Finally, the avalanche photodiode-based receiver apparatus has a noise-free power scheme constructed from a pre-regulation scheme that brings a stable voltage to a set of low noise voltage regulators to circuits in which the low noise It is a determining factor. All the elements that surround the avalanche photodiode require a low noise treatment: The high voltage generator, the logarithmic amplifier, the transimpedance amplifier with its autozero stage, the subsequent amplifier stages and the RMS detector. The microcontroller has an independent source and the thermoregulator power circuits are fed with separate sources. The thermoregulator used can be, for example, the one used in patent application P201001621.
Breve descripción de los dibujos Brief description of the drawings
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta. A series of drawings that help to better understand the invention and that expressly relate to an embodiment of said invention which is presented as a non-limiting example thereof is described very briefly below.
La figura 1 muestra el diagrama funcional de bloques del aparato receptor basado en fotodiodo de avalancha termorregulado con control embebido. Las figuras 2A y 28 muestran la disposición de componentes en la parte anterior y posterior de la tarjeta de circuito impreso. Figure 1 shows the functional block diagram of the receiving apparatus based on thermoregulated avalanche photodiode with embedded control. Figures 2A and 28 show the arrangement of components on the front and back of the printed circuit board.
Las figuras 3A y 38 muestran respectivamente una vista anterior y posterior del aparato receptor basado en fotodiodo de avalancha con un termorregulador de flujo simétrico y un sistema óptico para la captación del haz láser modulado. Figures 3A and 38 respectively show a front and rear view of the avalanche photodiode-based receiver apparatus with a symmetric flow thermoregulator and an optical system for the capture of the modulated laser beam.
Descripción detallada de la invención Detailed description of the invention
El objeto del aparato receptor basado en fotodiodo de avalancha con control embebido es la recepción de una señal láser luminosa modulada en formato binario con las especificaciones del estándar para la recepción serie IEEE802.3 FX 100/1000. The purpose of the avalanche photodiode-based receiver device with embedded control is the reception of a modulated light laser signal in binary format with the specifications of the IEEE802.3 FX 100/1000 series reception standard.
La Figura 1 muestra el diagrama funcional de bloques del aparato receptor objeto de esta invención. Consta de un fotodiodo de avalancha de estado sólido 2 cuyas características de recepción pueden estar en la franja de longitudes de onda que van desde el espectro visible (680nm) al infrarrojo lejano (15 micrómetros), con ancho de banda por encima de 1 Gbps y con sensibilidad programable entre 0.5 y 50 AmperiosjWatio (O :; M(Vpo1 ) :; 100). Figure 1 shows the functional block diagram of the receiving apparatus object of this invention. It consists of a solid-state avalanche photodiode 2 whose reception characteristics may be in the range of wavelengths ranging from the visible spectrum (680nm) to the far infrared (15 micrometers), with bandwidth above 1 Gbps and with programmable sensitivity between 0.5 and 50 Amperesj Watio (O:; M (Vpo1):; 100).
El aparato receptor basado en fotodiodo de avalancha se ha implementado en un circuito electrónico cuyos componentes se encuentran interconectados en una tarjeta de circuito impreso 4 de doble cara con especificación FR4. Los elementos del circuito se pueden agrupar por funcionalidades existiendo la posibilidad de realizar las mismas funciones con distintos elementos de circuito considerando las posibilidades que ofrecen diferentes fabricantes. La realización presentada es un caso particular no restando generalidad a las funciones que se reivindican. The avalanche photodiode-based receiving device has been implemented in an electronic circuit whose components are interconnected in a double-sided printed circuit board 4 with FR4 specification. The circuit elements can be grouped by functionalities and there is the possibility of performing the same functions with different circuit elements considering the possibilities offered by different manufacturers. The presented embodiment is a particular case, not detracting from the functions claimed.
Las funciones que implementa el receptor basado en fotodiodo de avalancha objeto de esta invención son las siguientes: The functions implemented by the avalanche photodiode based receiver object of this invention are the following:
Un generador de alta tensión 28 de bajo ruido con una tensión controlable A low noise high voltage generator 28 with a controllable voltage
mediante un microcontrolador 48 entre O y 150 Voltios. through a microcontroller 48 between O and 150 Volts.
Un amplificador logarítmico 29 con una referencia de corriente de precisión 31 A logarithmic amplifier 29 with a precision current reference 31
que procesa la fotocorriente del fotodiodo de avalancha en un rango de cinco which processes the photocurrent of the avalanche photodiode in a range of five
décadas entre 5nA y 500uA siendo filtrada y enviada al microcontrolador 48 decades between 5nA and 500uA being filtered and sent to microcontroller 48
para su valoración. Un amplificador a transimpedancia diferencial 33 con autocero 34 que transforma la fotocorriente del fotodiodo de avalancha en fototensión adaptándola a un rango entre los microvoltios y los voltios eliminando la componente de corriente continua debida a fuentes luminosas no moduladas. Un driver 35 que recoge la señal de fototensión de salida simple y la transforma a salida diferencial para atacar a un amplificador de ganancia programable 37 bajo el control del microcontrolador 48. Un detector de valor cuadrático medio RMS 36 que estima la potencia media de la señal moduladora recibida para enviarla al microcontrolador 48 para su valoración. Una etapa de salida diferencial 38,5,5' formada por un conformador de pulsos, adaptador de nivel y adaptador de impedancias. Dos conversores DAC 40,42 que permiten, bajo el control del microcontrolador 48, la programación de la alta tensión aplicada al circuito de polarización del fotodiodo de avalancha y la programación de la ganancia en tensión de la etapa final de amplificación de la señal demodulada, respectivamente. El microcontrolador 48, que gestiona las señales de entrada y de salida y cierra tres lazos básicos: térmico, de fotosensibilidad y de ganancia RMS. Un circuito de prerregulación 13-13' previo a un conjunto de fuentes de alimentación de bajo ruido (27,32,39,47,41,43,44,45,46) dedicadas ad-hoc a elementos funcionales específicos. Un circuito de control de potencia 50, 51, 52, 53 que permite cambiar el sentido de la corriente en las celdas peltier de un termorregulador de flujo simétrico 56 bajo el control del microcontrolador 48. For your assessment. A differential transimpedance amplifier 33 with autolock 34 that transforms the photocurrent of the avalanche photodiode into phototension by adapting it to a range between microvolts and volts eliminating the direct current component due to unmodulated light sources. A driver 35 that collects the single output phototension signal and transforms it to a differential output to attack a programmable gain amplifier 37 under the control of the microcontroller 48. An RMS 36 mean square value detector that estimates the average signal power modulator received to be sent to microcontroller 48 for evaluation. A 38.5.5 'differential output stage consisting of a pulse shaper, level adapter and impedance adapter. Two DAC 40.42 converters that allow, under the control of microcontroller 48, the high voltage programming applied to the avalanche photodiode polarization circuit and the voltage gain programming of the final stage of amplification of the demodulated signal, respectively. The microcontroller 48, which manages the input and output signals and closes three basic loops: thermal, photosensitivity and RMS gain. A pre-regulation circuit 13-13 'prior to a set of low noise power supplies (27,32,39,47,41,43,44,45,46) dedicated ad-hoc to specific functional elements. A power control circuit 50, 51, 52, 53 that allows changing the direction of the current in the peltier cells of a symmetric flow thermoregulator 56 under the control of the microcontroller 48.
El microcontrolador 48 posee conexiones de entrada y salida que le permiten monitorizar su estado 6, 7, 8, 9; establecer sus condiciones iniciales 22; comunicarse a través de el bus estándar 12C con otros microcontroladores en modo maestro-esclavo 16,17; acciones de entrada-salida on-off 14,15,18; conexiones 20' con sensores de temperatura 20 externos al aparato transmisor y un conector 19 de entrada-salida serie para su programación externa. The microcontroller 48 has input and output connections that allow it to monitor its status 6, 7, 8, 9; establish its initial conditions 22; communicate via the standard 12C bus with other microcontrollers in master-slave mode 16.17; input-output actions on-off 14,15,18; 20 'connections with external temperature sensors 20 to the transmitter and a serial input-output connector 19 for external programming.
La Figura 2A ilustra la vista anterior, sin restar generalidad, de una realización del aparato receptor 1 que consta de un fotodiodo de avalancha 2 insertado en un zócalo 3 que lo conecta con la tarjeta de circuito impreso 4. La señal de salida diferencial se recibe a través de los dos conectores BNC 5-5'. El diodo luminiscente 6 indica la condición de encendido del prerregulador. Los diodos luminiscentes 7,8, y 9 monitorizan el estado del microcontrolador en tareas de test. Los conectores 10' Y 12' son las entradas de las dos fuentes de alimentación independientes: una fuente de potencia 12 para el circuito de control térmico y el termorregulador, y otra fuente simétrica 10 (rizado menor de 10 milivoltios), para el circuito de prerregulación. El conector 11 es una salida de alimentación controlada para las celdas peltier del termorregulador. Los prerreguladores 13-13' regulan la tensión de entrada simétrica 10 previo a las sucesivas etapas de bajo ruido. El microcontrolador tiene la posibilidad de comunicarse con otros microcontroladores en modos maestro-esclavo mediante un bus estándar 12C 16,17 Y señales de control 14,15, 18 Y 21. El conector 19 permite la programación serie del microcontrolador. El conector 20' recibe las señales de los sensores de temperatura 20. El pulsador 22 activa la señal de reset del microcontrolador para reiniciar sus funciones. El microcontrolador activa sus circuitos de tiempo mediante cristal 23. Los conectores jumper 24, 25 Y 26 tienen funciones de programación manual en los circuitos del generador de alta tensión y amplificador de ganancia programable. Figure 2A illustrates the previous view, without subtracting generality, of an embodiment of the receiving apparatus 1 consisting of an avalanche photodiode 2 inserted in a socket 3 that connects it with the printed circuit board 4. The differential output signal is received through the two BNC 5-5 'connectors. The light emitting diode 6 indicates the pre-regulator ignition condition. The luminescent diodes 7,8, and 9 monitor the state of the microcontroller in test tasks. The connectors 10 'Y 12' are the inputs of the two independent power supplies: a power source 12 for the thermal control circuit and the thermoregulator, and another symmetric source 10 (curly less than 10 millivolts), for the circuit preregulation Connector 11 is a controlled power outlet for the thermoregulator peltier cells. The pre-regulators 13-13 'regulate the symmetrical input voltage 10 prior to the successive low noise stages. The microcontroller has the possibility of communicating with other microcontrollers in master-slave modes via a standard 12C bus 16,17 and control signals 14,15, 18 and 21. Connector 19 allows serial programming of the microcontroller. The connector 20 'receives the signals from the temperature sensors 20. The button 22 activates the reset signal of the microcontroller to restart its functions. The microcontroller activates its time circuits through crystal 23. The jumper connectors 24, 25 and 26 have manual programming functions in the circuits of the high voltage generator and programmable gain amplifier.
La Figura 28 ilustra la vista posterior del aparato receptor que consta del generador de alta tensión 28 con su fuente de alimentación de bajo ruido 27, el amplificador logarítmico 29 con su referencia de corriente 31 y su fuente de bajo ruido simétrica 32,39. La salida del amplificador logarítmico 29 es llevada al microcontrolador 48 tras ser filtrada con un filtro paso bajo 30 de 10Hz. La corriente del fotodiodo de avalancha es amplificada a transimpedancia en 33 siendo eliminada la componente de continua en el circuito autocero 34 y convertida a diferencial en el driver 35. La señal es amplificada en el amplificador de ganancia programable 37 bajo el control del microcontrolador 48 y calculado su valor cuadrático medio o RMS en el detector RMS 36. La etapa de salida conformadora, adaptadora de nivel y de impedancias se realiza en el circuito 38 siendo la salida diferencial en los conectores BNC 5-5'. Por otro lado, los circuitos de control de potencia del termorregulador: inversor de corriente 50 y 51, control de activación 53 y transistores periféricos 52. Figure 28 illustrates the rear view of the receiver apparatus consisting of the high voltage generator 28 with its low noise power supply 27, the logarithmic amplifier 29 with its current reference 31 and its symmetric low noise source 32.39. The output of the logarithmic amplifier 29 is taken to the microcontroller 48 after being filtered with a low pass filter 30 of 10Hz. The current of the avalanche photodiode is amplified to transimpedance at 33 with the continuous component in the auto-circuit 34 removed and converted to differential in the driver 35. The signal is amplified in the programmable gain amplifier 37 under the control of the microcontroller 48 and calculated its mean square value or RMS in the RMS detector 36. The stage of forming, leveling and impedance output is performed in circuit 38, the differential output being BNC connectors 5-5 '. On the other hand, the thermoregulator power control circuits: power inverter 50 and 51, activation control 53 and peripheral transistors 52.
Los reguladores de bajo ruido generan niveles de ruido menores de 10 microvoltios. Estos reguladores de bajo ruido alimentan al generador de alta tensión 27, a los conversores DAC, (41,47), al amplificador logarítmico y detector RMS (32,39), al amplificador a transimpedancia (43,44) y al driver simple-diferencial, amplificador de ganancia programable y etapa de salida (45,46). El regulador convencional 49 suministra una tensión estable al microcontrolador 48. Los conversores DAC 40 y 42 generan las señales de actuación para el generador de alta tensión 28 y el amplificador de ganancia programable 37, respectivamente. Low noise regulators generate noise levels below 10 microvolts. These low noise regulators feed the high voltage generator 27, the DAC converters, (41.47), the logarithmic amplifier and RMS detector (32.39), the transimpedance amplifier (43.44) and the simple driver. differential, programmable gain amplifier and output stage (45.46). The conventional regulator 49 supplies a stable voltage to the microcontroller 48. The DAC converters 40 and 42 generate the actuation signals for the high voltage generator 28 and the programmable gain amplifier 37, respectively.
5 Las Figuras 3A y 38 muestran dos vistas del aparato receptor basado en fotodiodo de avalancha con un termorregulador de flujo simétrico 56 y un sistema óptico 54 que focaliza la señal luminosa y la dirige al fotodiodo de avalancha por una fibra de polímero 55. El termorregulador 56 contiene un dado refrigerado que se adapta a la capsula T005 del fotodiodo de avalancha utilizado en esta realización 5 Figures 3A and 38 show two views of the avalanche photodiode-based receiver apparatus with a symmetric flow thermoregulator 56 and an optical system 54 that focuses the light signal and directs it to the avalanche photodiode by a polymer fiber 55. The thermoregulator 56 contains a refrigerated die that fits the T005 capsule of the avalanche photodiode used in this embodiment
10 conformando una cavidad adiabática en la que el calor intercambiado se realiza a través de las caras de cuatro celdas peltier situadas en las cuatro caras contiguas del dado. El termorregulador 56 posee dos sensores de temperatura 20 situados en los focos frío y caliente de las celdas peltier que se conectan al microcontrolador 48 a través del conector 20'. Un circuito de control del termorregulador 50, 51, 52 Y 53 10 forming an adiabatic cavity in which the heat exchanged is made through the faces of four peltier cells located on the four adjacent faces of the die. The thermoregulator 56 has two temperature sensors 20 located in the hot and cold foci of the peltier cells that are connected to the microcontroller 48 through the connector 20 '. A thermoregulator control circuit 50, 51, 52 and 53
15 permiten, bajo el control del microcontrolador 48, suministrar corriente en ambos sentidos para realizar labores de regulación térmica. 15 allow, under the control of microcontroller 48, to supply current in both directions to perform thermal regulation work.
Claims (9)
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- un lazo de control térmico encargado de mantener estable, a un valor determinado por el microcontrolador (48), la temperatura del fotodiodo de avalancha (2), comprendiendo dicho lazo de control térmico un termorregulador (56) con medios sensores de temperatura (20) conectados al microcontrolador (48) y un circuito de control del termorregulador (50,51,52,53) controlado por el microcontrolador (48); a thermal control loop responsible for maintaining, at a value determined by the microcontroller (48), the temperature of the avalanche photodiode (2), said thermal control loop comprising a thermoregulator (56) with temperature sensing means (20) connected to the microcontroller (48) and a thermoregulator control circuit (50,51,52,53) controlled by the microcontroller (48);
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- un lazo de control de sensibilidad del fotodiodo encargado de mantener estable, a un valor determinado por el microcontrolador (48), la fotosensibilidad del fotodiodo de avalancha (2), comprendiendo dicho lazo de control de sensibilidad del fotodiodo medios sensores de la corriente de polarización del fotodiodo (2) conectados al microcontrolador (48) y un generador de alta tensión (28), controlado por el microcontrolador (48), para polarizar el fotodiodo de avalancha; a photodiode sensitivity control loop responsible for maintaining, at a value determined by the microcontroller (48), the photosensitivity of the avalanche photodiode (2), said photodiode sensitivity control loop comprising polarization current sensing means of the photodiode (2) connected to the microcontroller (48) and a high voltage generator (28), controlled by the microcontroller (48), to polarize the avalanche photodiode;
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- un lazo de control de ganancia RMS encargado de controlar la ganancia y mantener la estabilidad de la señal proveniente del fotodiodo de avalancha (2) que alimenta una etapa de salida (38,5,5'), comprendiendo dicho lazo de control de ganancia RMS un amplificador de ganancia programable (37), controlado por el microcontrolador, que alimenta la etapa de salida (38,5,5') y un detector de valor cuadrático medio RMS (36) conectado al microcontrolador (48) para la estimación de la potencia media de dicha señal que alimenta la etapa de salida (38,5,5'). an RMS gain control loop responsible for controlling the gain and maintaining the stability of the signal from the avalanche photodiode (2) that feeds an output stage (38,5,5 '), said RMS gain control loop comprising a programmable gain amplifier (37), controlled by the microcontroller, that feeds the output stage (38,5,5 ') and an RMS mean square value detector (36) connected to the microcontroller (48) for the estimation of the average power of said signal that feeds the output stage (38,5,5 ').
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