RU2778976C1 - Способ стабилизации режима лавинного фотодиода - Google Patents

Способ стабилизации режима лавинного фотодиода Download PDF

Info

Publication number
RU2778976C1
RU2778976C1 RU2021133962A RU2021133962A RU2778976C1 RU 2778976 C1 RU2778976 C1 RU 2778976C1 RU 2021133962 A RU2021133962 A RU 2021133962A RU 2021133962 A RU2021133962 A RU 2021133962A RU 2778976 C1 RU2778976 C1 RU 2778976C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
noise
photodiode
level
current
microplasma
Prior art date
Application number
RU2021133962A
Other languages
English (en)
Inventor
Валерий Григорьевич Вильнер
Михаил Михайлович Землянов
Евгений Викторович Кузнецов
Александр Ефремович Сафутин
Надежда Валентиновна Седова
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Application granted granted Critical
Publication of RU2778976C1 publication Critical patent/RU2778976C1/ru

Links

Images

Abstract

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. Сущность: способ приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода включает пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания. Напряжение смещения Uсм фотодиода предварительно устанавливают на таком уровне Uсм=Uсм1, при котором минимальная длительность микроплазменных импульсов tmin превышает допустимый максимальный период следования импульсов Тmах. Затем напряжение смещения снижают до уровня Uсм=Uсмопт, при котором отношение сигнал/шум η=Моптш максимально, где М - коэффициент лавинного умножения, σш - среднеквадратическое значение шума. Приступают к приему сигналов, причем время Тпер переключения с уровня Uсм1 на уровень Uсмопт соответствует условию Тпер ≤ tmin - tpaб, где tmin - минимальная длительность микроплазменного импульса при напряжении смещения Uсмопт, tpaб - длительность рабочего периода приема сигналов. Оптимальный коэффициент лавинного умножения может быть установлен в соответствии с зависимостью
Figure 00000029
где
Figure 00000030
- квадрат неумножаемого шумового тока;
Figure 00000031
- квадрат шумового тока предусилителя;
Figure 00000032
е - заряд электрона; Iш0 - постоянная составляющая суммарного тока микроплазм; Δf - полоса пропускания приемного тракта;
Figure 00000033
- квадрат умножаемого шумового тока; I1=Iт - первичный (не умноженный) темновой ток фотодиода; α - постоянный коэффициент, определяемый материалом и структурой фотодиода. Порог срабатывания может быть установлен с помощью шумовой автоматической регулировки. Технический результат: обеспечение достижения предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазменных пробоев и нормального шума при минимальном времени выхода на оптимальный лавинный режим. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

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 стабилизации режима 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 имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения обратного напряжения. Увеличение тока накачки 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 непредсказуемо [7]. 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 достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазм и нормального шума при минимальном времени выхода на оптимальный лавинный режим.
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающем пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, напряжение смещения Uсм фотодиода предварительно устанавливают на таком уровне Uсм=Uсм1, при котором минимальная длительность микроплазменных импульсов tmin превышает допустимый максимальный период следования импульсов Тmах, а затем напряжение смещения снижают до уровня Uсм=Uсмопт, при котором отношение сигнал/шум η=Моптш максимально, где М - коэффициент лавинного умножения, σш - среднеквадратическое значение шума, и приступают к приему сигналов, причем, время Тпер переключения с уровня Uсм1 на уровень Uсмопт соответствует условию Тпер≤tmin - tpaб, где tmin - минимальная длительность микроплазменного импульса при напряжении смещения Uсмопт, tpaб - длительность рабочего периода приема сигналов.
Оптимальный коэффициент лавинного умножения Мопт может быть установлен в соответствии с зависимостью
Figure 00000001
где
Figure 00000002
- квадрат неумножаемого шумового тока;
Figure 00000003
- квадрат шумового тока предусилителя;
Figure 00000004
е - заряд электрона; Im0 - постоянная составляющая суммарного тока микроплазм; Δf - полоса пропускания приемного тракта; Jm2=2eI1Δf - квадрат умножаемого шумового тока; I1=Iт - первичный (не умноженный) темновой ток фотодиода; α - постоянный коэффициент, определяемый материалом и структурой фотодиода.
Начальное напряжение смещения Uсм1 устанавливают заведомо выше области генерации микроплазм, которую определяют предварительно на этапе проектирования.
Порог срабатывания может быть установлен с помощью шумовой автоматической регулировки.
На фиг.1 представлена схема фотоприемного устройства, реализующего данный способ. На фиг.2 - примеры реализации шума на выходе приемного тракта в разных фазах процедуры регулирования напряжения смещения фотодиода:
а) до появления микроплазм;
б) в режиме импульсных микроплазменных пробоев;
в) при непрерывном микроплазменном пробое;
г) в рабочем режиме.
Реализующее способ фотоприемное устройство (фиг.1) содержит последовательно включенные лавинный фотодиод 1, усилитель 2 и пороговое устройство 3. Напряжение смещения подается на фотодиод 1 от последовательно включенных источника питания 4 и схемы смещения 5. Пороговое устройство 3 охвачено цепью обратной связи в виде схемы шумовой автоматической регулировки порога (ШАРП) 6, включенной между выходом порогового устройства и его управляющим входом. Схема смещения управляется переключателем лавинного режима 7. Синхронизация режима осуществляется блоком управления 8, связанным с блоками 6 и 7. На фиг.2 представлены реализации выходного шума в режимах а) - г), а также нижний амплитудный уровень микроплазм 9 и уровень рабочего порога 10, реализуемого пороговым устройством 3.
Способ осуществляется следующим образом.
По команде от блока управления 8 включаются схема смещения 5 и схема ШАРП 6. Схема смещения повышает напряжение смещения фотодиода, обеспечивая увеличение коэффициента лавинного умножения до предварительного уровня. Порог срабатывания порогового устройства 3 с помощью схемы ШАРП [8] поддерживает частоту шумовых превышений порога на заданном уровне, отрабатывая увеличение среднеквадратического значения нормального шума Ку Iш 2, где
Ку - коэффициент передачи тракта от фотодиода до входа порогового устройства;
Figure 00000005
- квадрат шумового тока на выходе лавинного фотодиода; (1)
I0 *2 - квадрат неумножаемого шумового тока;
Figure 00000006
квадрат умножаемого шумового (дробового) тока, (2)
е - заряд электрона;
I1 - первичный обратный ток фотодиода;
Δf - полоса пропускания приемного тракта;
М - коэффициент лавинного умножения;
Мα - шум-фактор лавинного умножения;
α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [6].
Постоянная времени схемы ШАРП должна обеспечивать постоянное отношение порог/шум при заданной скорости изменения 1 ш2 [8, 9].
Неумножаемый шум
Figure 00000007
не зависит от напряжения смещения и включает
тепловой шум нагрузки [6]
Figure 00000008
где К - коэффициент шума, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, R - сопротивление нагрузки,
и дробовой шум микроплазм
Figure 00000009
где Imo - постоянный ток микроплазменного пробоя.
По мере роста напряжения смещения фотодиода увеличивается не только нормальная составляющая (2) умножаемого шума IM 2, но и вероятность возникновения микроплазменных пробоев [7] (фиг.2б). Напряжение смещения увеличивают до уровня Uсм=Uсм1, при котором микроплазменный пробой становится постоянным (фиг.2в, после чего сигналом с выхода переключателя лавинного режима 7 постепенно опускают напряжение смещения на оптимальный рабочий уровень Uсм=Uсмопт (фиг.2 г), при котором отношение сигнал/шум η=Моптш максимально, где М - коэффициент лавинного умножения, σш - среднеквадратическое значение шума.
Время переключения напряжения смещения на рабочий уровень должно быть менее времени выключения микроплазм, составляющего период от долей миллисекунды до нескольких минут [4, 11], и более времени реакции (быстродействия) аппаратуры.
Эффективность способа можно оценить следующим образом.
С учетом (1), (2) квадрат отношения шум/сигнал может быть записан в виде
Figure 00000010
где
Figure 00000011
Производная (5) по М
Figure 00000012
Условие нуля производной
Figure 00000013
Или
Figure 00000014
откуда
Figure 00000015
Figure 00000016
Пример
Темновой ток фотодиода I1=10-9А; постоянный ток микроплазм Im0=10-7 А [4]; температура Т=300 К; коэффициент шума К=2; полоса пропускания Δf=107 Гц; сопротивление нагрузки R=104 Ом; коэффициент α=0,5 [6].
При этих исходных данных
Figure 00000017
Figure 00000018
Figure 00000019
Figure 00000020
Figure 00000021
Квадрат отношения шум/сигнал
Figure 00000022
В отсутствие микроплазменного шума, то есть, при Im0=0
Figure 00000023
и
Figure 00000024
Figure 00000025
Проигрыш в отношении сигнал/шум из-за влияния квазинепрерывного микроплазменного пробоя в предлагаемом режиме равен
Figure 00000026
то есть влияние шума микроплазм практически устраняется.
Описанная процедура позволяет заблокировать взрывной характер микроплазменного процесса и, тем самым, устранить влияние микроплазм и обеспечить достоверный прием сигналов при оптимальном уровне лавинного умножения.
Следует отметить, что подготовительный и рабочий режимы способа функционально независимы. Благодаря этому способ отличается простотой реализации и предельным быстродействием.
Таким образом, обеспечивается задача изобретения - достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазменных пробоев и нормального шума при минимальном времени выхода на оптимальный лавинный режим.
Источники информации
1 Росс М. Лазерные приемники. - «Мир», М., 1969 г.
2 Патент РФ №2 248670. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения. 2005 г.
3 US pat. 4,077,718. Receiver for optical radar. 1978. - прототип.
4 Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков M.A. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007, - 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.
11 Мусаев A.M. Механизм выключения микроплазм при лавинном пробое p-n-структур кремния. - Физика и техника полупроводников, 2016, том 50, вып.10, с. 1370-1373.

Claims (2)

1. Способ стабилизации режима лавинного фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, отличающийся тем, что напряжение смещения Uсм фотодиода предварительно устанавливают на таком уровне Uсм=Uсм1, при котором минимальная длительность микроплазменных импульсов tmin превышает допустимый максимальный период следования импульсов Tmax, а затем напряжение смещения снижают до уровня Uсм=Uсмопт, при котором отношение сигнал/шум η=Mоптш максимально, где
Figure 00000027
где
Figure 00000028
- квадрат неумножаемого шумового тока; I0 2 - квадрат шумового тока предусилителя; Im 2=2eIm0Δf; е - заряд электрона; Im0 - постоянная составляющая суммарного тока микроплазм; Δf - полоса пропускания приемного тракта; JM 2=2eIlΔf - квадрат умножаемого шумового тока; Il=Iт – первичный не умноженный темновой ток фотодиода; α - постоянный коэффициент, определяемый материалом и структурой фотодиода, σш - среднеквадратическое значение шума, и приступают к приему сигналов, причем время Tпер переключения с уровня Uсм1 на уровень Uсмопт соответствует условию Tпер≤tmin-tраб, где tmin - минимальная длительность микроплазменного импульса при напряжении смещения Uсмопт, tраб - длительность рабочего периода приема сигналов.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что порог срабатывания устанавливают с помощью шумовой автоматической регулировки.
RU2021133962A 2021-11-22 Способ стабилизации режима лавинного фотодиода RU2778976C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2778976C1 true RU2778976C1 (ru) 2022-08-29

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU216579U1 (ru) * 2022-12-14 2023-02-14 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) Гетероструктура однофотонного лавинного фотодиода

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4077718A (en) * 1976-03-01 1978-03-07 Raytheon Company Receiver for optical radar
JP2006287307A (ja) * 2005-03-31 2006-10-19 Nec Corp 光子検出回路およびノイズ除去方法
WO2021024038A1 (en) * 2019-08-06 2021-02-11 Innoviz Technologies Ltd. Systems and methods for photodiode-based detection
RU2750442C1 (ru) * 2020-11-26 2021-06-28 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Способ приема оптических сигналов
RU2755601C1 (ru) * 2020-11-26 2021-09-17 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Способ обнаружения оптических сигналов
RU2755602C1 (ru) * 2020-11-26 2021-09-17 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Способ порогового обнаружения оптических сигналов
RU2756384C1 (ru) * 2020-11-26 2021-09-29 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Способ порогового приема оптических сигналов

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4077718A (en) * 1976-03-01 1978-03-07 Raytheon Company Receiver for optical radar
JP2006287307A (ja) * 2005-03-31 2006-10-19 Nec Corp 光子検出回路およびノイズ除去方法
WO2021024038A1 (en) * 2019-08-06 2021-02-11 Innoviz Technologies Ltd. Systems and methods for photodiode-based detection
RU2750442C1 (ru) * 2020-11-26 2021-06-28 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Способ приема оптических сигналов
RU2755601C1 (ru) * 2020-11-26 2021-09-17 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Способ обнаружения оптических сигналов
RU2755602C1 (ru) * 2020-11-26 2021-09-17 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Способ порогового обнаружения оптических сигналов
RU2756384C1 (ru) * 2020-11-26 2021-09-29 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Способ порогового приема оптических сигналов

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU216579U1 (ru) * 2022-12-14 2023-02-14 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) Гетероструктура однофотонного лавинного фотодиода

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3644740A (en) Control circuit for biasing a photodetector so as to maintain a selected false alarm rate
JP2502940B2 (ja) パルス幅変調器を使用したダイオ−ドポンプレ−ザシステム用の活性エネルギ制御
CN103457673B (zh) 提高apd光接收机饱和光功率的方法和装置
CN113156404A (zh) 一种反向偏置电压调节装置及方法、以及激光雷达
KR20080050447A (ko) 광 수신기 보호 회로
CN108874020B (zh) 一种电流模式阵列spad增益均匀性自适应控制电路
RU2778976C1 (ru) Способ стабилизации режима лавинного фотодиода
JPS6453622A (en) Method and apparatus for comatibility threshold adjustment
RU2778045C1 (ru) Способ стабилизации лавинного режима фотодиода
RU2791438C1 (ru) Способ выделения оптических импульсов
RU2778047C1 (ru) Способ приема оптических сигналов
CN210141940U (zh) 单光子探测器及其高压快速调节电路
RU2778048C1 (ru) Способ приема импульсных оптических сигналов
RU2750442C1 (ru) Способ приема оптических сигналов
RU2778629C1 (ru) Способ порогового обнаружения оптических сигналов
US9762333B2 (en) Optical receiver and optical reception method
RU2755602C1 (ru) Способ порогового обнаружения оптических сигналов
RU2778046C1 (ru) Способ приема оптических импульсов
RU2797660C1 (ru) Способ порогового обнаружения оптических сигналов
CN110207836B (zh) 一种单光子探测器及其高压快速调节电路
US2655596A (en) Automatic gain control circuit
RU2756384C1 (ru) Способ порогового приема оптических сигналов
CN113109788B (zh) 脉冲发射控制电路及控制方法
GB733312A (en) Improvements in or relating to radar apparatus comprising a receiver the gain of which varies periodically
SU1117830A2 (ru) Устройство дл автоматического регулировани усилени