RU2791438C1 - Способ выделения оптических импульсов - Google Patents
Способ выделения оптических импульсов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2791438C1 RU2791438C1 RU2021134972A RU2021134972A RU2791438C1 RU 2791438 C1 RU2791438 C1 RU 2791438C1 RU 2021134972 A RU2021134972 A RU 2021134972A RU 2021134972 A RU2021134972 A RU 2021134972A RU 2791438 C1 RU2791438 C1 RU 2791438C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photodiode
- threshold
- avalanche
- frequency
- value
- Prior art date
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. Способ выделения оптических импульсов с помощью лавинного фотодиода и порогового устройства, включающий пороговую обработку принятых фотодиодом сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, при этом предварительно определяют значения умножаемого и неумножаемого темнового тока фотодиода, шум-фактор лавинного умножения и зависимость частоты микроплазм от коэффициента лавинного умножения М, после чего коэффициент лавинного умножения фотодиода устанавливают так, чтобы величина М была как можно более близка к оптимальному значению Мопт, а частота микроплазм не превышала предельно допустимого значения во всех условиях окружающей среды, при этом порог срабатывания порогового устройства регулируют так, чтобы частота f превышений порогового уровня выбросами шумового процесса находилась в пределах причем, , а величину f=N/T определяют путем подсчета количества N стандартных выходных импульсов за предварительно заданное время Т. Технический результат заключается в обеспечении близкой к предельно достижимой чувствительности во всех режимах, в том числе при наличии микроплазменных пробоев. 3 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности, к технике приема сигналов с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в системах локации, связи и других фотоэлектронных системах.
Известен способ приема оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов [1]. Известны также способы стабилизации лавинного режима фотодиода, например, путем термокомпенсации рабочей точки напряжения смещения [2].
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ приема импульсных оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, напряжение смещения которого поддерживают путем стабилизации частоты шумовых импульсов, возникающих в фотодиоде в процессе лавинного умножения [3].
Недостатком этого способа является возможность введения фотодиода в режим микроплазменного пробоя [4]. Микроплазменные импульсы тока имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения обратного напряжения. Увеличение амплитуды сопровождается увеличением длительности импульсов и уменьшением скважности [5]. В таком режиме шум лавинного фотодиода состоит из двух независимых составляющих - нормального шума [6] и «телеграфного» шума микроплазм. Микроплазменная составляющая шума фотодиода не сопоставима по статистическим характеристикам с нормальной составляющей, и ее участие в процессе регулирования смещения фотодиода [3] непредсказуемо. При некоторых температурных условиях регулировка лавинного режима по частоте шумовых выбросов фотодиода включая микроплазмы, может привести к выходу системы на неоптимальный режим лавинного умножения, т.е. к ухудшению пороговой чувствительности фотоприемного устройства или к недопустимой вероятности ложных срабатываний, вызванных микроплазмами.
Задачей изобретения является обеспечение высокой чувствительности во всех условиях эксплуатации.
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе выделения оптических импульсов с помощью лавинного фотодиода и порогового устройства, включающем пороговую обработку принятых фотодиодом сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют значения умножаемого и неумножаемого темнового тока фотодиода, шум-фактор лавинного умножения и зависимость частоты микроплазм от коэффициента лавинного умножения М, после чего коэффициент лавинного умножения фотодиода устанавливают так, чтобы величина М была как можно более близка к оптимальному значению Мопт, а частота микроплазм не превышала предельно допустимого значения во всех условиях окружающей среды, при этом порог срабатывания порогового устройства регулируют так, чтобы частота f превышений порогового уровня выбросами шумового процесса находилась в пределах причем, где - квадрат неумножаемого шумового тока фотодиода, приведенного к его выходу; квадрат умножаемого шумового тока; е - заряд электрона; I1 - первичный обратный ток фотодиода; Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства; М - коэффициент лавинного умножения; α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода; f1 и f2 - нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а величину f=N/T определяют путем подсчета количества N стандартных выходных импульсов за предварительно заданное время Т.
На фиг. 1 представлена схема фотоприемного устройства, реализующего данный способ. На фиг. 2а), б) - примеры реализации шума на входе порогового устройства при разной величине М. На фиг. 3 показаны графики зависимости η(М) для германиевого (фиг. 3а) и кремниевого (фиг. 3б) лавинных фотодиодов.
Фотоприемное устройство содержит последовательно включенные лавинный фотодиод 1, усилитель 2 и пороговое устройство 3. Напряжение смещения подается на фотодиод 1 от последовательно связанных источника питания 4 и схемы термокомпенсации 5. Пороговое устройство охвачено цепью обратной связи в виде схемы шумовой автоматической регулировки порога 6, включенной между выходом порогового устройства и его управляющим входом. Схема термокомпенсации связана с блоком установки лавинного режима 7. Синхронизация режима осуществляется блоком управления 8, связанным с блоками 6 и 7.
Способ осуществляется следующим образом.
Предварительно определяют ход параметров I0, I1, α выбранных лавинных фотодиодов в зависимости от температуры и величины коэффициента лавинного умножения М, в свою очередь определяемого напряжением смещения фотодиода Uсм. Одновременно выявляют зависимость частоты микроплазм от температуры и коэффициента лавинного умножения [7]. Этот подготовительный цикл осуществляют однократно на этапе проектирования.
При изготовлении и отладке фотоприемного устройства с учетом ранее определенных зависимостей настраивают схему термокомпенсации так, чтобы во всех условиях эксплуатации коэффициент лавинного умножения был как можно ближе к своему оптимальному значению и чтобы частота микроплазм при этом не превышала допустимого количества Nм за время приема Т. Характер шумов, включающий нормальную составляющую шума 8 и поток микроплазм 9, приведен на фиг. 2 - при М=Мопт (фиг. 2а) и при коэффициенте соответствующем максимально допустимой частоте микроплазм (фиг. 2б).
После выхода фотодиода на номинальный лавинный режим непосредственно перед приемом сигналов включают шумовую автоматическую регулировку, осуществляемую схемой 6, например, по методике, изложенной в [8]. После выхода шумовой регулировки порога на рабочий режим, включают режим приема сигналов.
Описанный способ обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум при наличии микроплазменных пробоев, которые обычно не учитывают, что приводит к ухудшению реальной чувствительности приемных устройств.
Оптимальное значение коэффициента лавинного умножения М можно определить следующим образом. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока
е - заряд электрона;
I1 - первичный обратный ток фотодиода;
Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства;
М - коэффициент лавинного умножения;
Мα - шум-фактор лавинного умножения;
α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [6].
Квадрат W отношения шум/сигнал
Условие нуля производной
Или
Пример 1 (Фиг. 3а).
Германиевый фотодиод. I1=10-7 A. Jм2=3,2⋅10-19 А2. α=1. Область микроплазм начинается с М=4. Рабочую точку фотодиода поддерживают при М=1,8…3,5. При этом максимальное отношение сигнал/шум, обеспечиваемое способом, то есть величина отличается от максимального значения, обеспечиваемого при М=Мопт=3, не более, чем на 2%.
Пример 2 (Фиг. 3б).
Кремниевый фотодиод. I1=10-9 A. Jм2=3,2⋅10-21 А2. α=0,5. Область микроплазм начинается с М=25. Рабочую точку фотодиода поддерживают при М=20…25. При этом максимальное отношение сигнал/шум, обеспечиваемое способом, то есть величина отличается от максимального значения, обеспечиваемого при М=Мопт=30, не более, чем на 2%.
Оптимальный коэффициент лавинного умножения М можно устанавливать предварительно путем подачи на фотодиод пробного сигнала, изменения напряжения смещения фотодиода и одновременного измерения отношения η амплитуды выходного сигнала А к среднеквадратическому значению шума σ, причем оптимальным устанавливают такое значение Мопт, при котором отношение максимально, а в процессе приема сигналов фиксируют напряжение смещения фотодиода на уровне, соответствующем установленной величине Мопт.
Таким образом, обеспечивается близкая к предельно достижимой чувствительность во всех режимах, в том числе при наличии микроплазменных пробоев.
Источники информации
1 Росс М. Лазерные приемники. - «Мир», М., 1969 г. - 520 с.
2 Патент РФ №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 М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007, - С. 345.
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.
Claims (1)
- Способ выделения оптических импульсов с помощью лавинного фотодиода и порогового устройства, включающий пороговую обработку принятых фотодиодом сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, отличающийся тем, что предварительно определяют значения умножаемого и неумножаемого темнового тока фотодиода, шум-фактор лавинного умножения и зависимость частоты микроплазм от коэффициента лавинного умножения М, после чего коэффициент лавинного умножения фотодиода устанавливают так, чтобы величина М была как можно более близка к оптимальному значению Мопт, а частота микроплазм не превышала предельно допустимого значения во всех условиях окружающей среды, при этом порог срабатывания порогового устройства регулируют так, чтобы частота f превышений порогового уровня выбросами шумового процесса находилась в пределах причем, где - квадрат неумножаемого шумового тока фотодиода, приведенного к его выходу; квадрат умножаемого шумового тока; е - заряд электрона; I1 - первичный обратный ток фотодиода; Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства; М - коэффициент лавинного умножения; α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода; f1 и f2 - нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а величину f=N/T определяют путем подсчета количества N стандартных выходных импульсов за предварительно заданное время Т.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2791438C1 true RU2791438C1 (ru) | 2023-03-07 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1244505A1 (ru) * | 1984-07-20 | 1986-07-15 | Предприятие П/Я В-8769 | Способ измерени светового потока лавинным фотодиодом и устройство дл его осуществлени |
RU2589747C2 (ru) * | 2014-10-24 | 2016-07-10 | Александр Евгеньевич Соколов | Фотоприемное устройство |
WO2017208310A1 (ja) * | 2016-05-30 | 2017-12-07 | 三菱電機株式会社 | 光受信器および光信号受信方法 |
RU2641620C1 (ru) * | 2016-09-20 | 2018-01-18 | Общество с ограниченной ответственностью "ДЕтектор Фотонный Аналоговый" | Лавинный фотодетектор |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1244505A1 (ru) * | 1984-07-20 | 1986-07-15 | Предприятие П/Я В-8769 | Способ измерени светового потока лавинным фотодиодом и устройство дл его осуществлени |
RU2589747C2 (ru) * | 2014-10-24 | 2016-07-10 | Александр Евгеньевич Соколов | Фотоприемное устройство |
WO2017208310A1 (ja) * | 2016-05-30 | 2017-12-07 | 三菱電機株式会社 | 光受信器および光信号受信方法 |
RU2641620C1 (ru) * | 2016-09-20 | 2018-01-18 | Общество с ограниченной ответственностью "ДЕтектор Фотонный Аналоговый" | Лавинный фотодетектор |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US2427523A (en) | Blanking circuit | |
US20150364635A1 (en) | Single photon counting | |
RU2649607C2 (ru) | Способ контроля коэффициента усиления и установки в ноль многопиксельного счетчика фотонов и система измерения света, реализующая указанный способ | |
US4808810A (en) | Preamplifier for an optical receiver | |
CN107748359B9 (zh) | 一种环境光噪声抑制电路及激光雷达 | |
RU2791438C1 (ru) | Способ выделения оптических импульсов | |
EP0058703B1 (en) | An arrangement for increasing the dynamic range at the input stage of a receiver in an optical fibre information transmission system | |
US6654215B2 (en) | Photodetector circuit with avalanche photodiode | |
RU2778045C1 (ru) | Способ стабилизации лавинного режима фотодиода | |
RU2750442C1 (ru) | Способ приема оптических сигналов | |
RU2778047C1 (ru) | Способ приема оптических сигналов | |
CN211348623U (zh) | 激光雷达信号降噪装置 | |
RU2778976C1 (ru) | Способ стабилизации режима лавинного фотодиода | |
RU2778629C1 (ru) | Способ порогового обнаружения оптических сигналов | |
US10432319B2 (en) | Receivers with automatic gain control | |
RU2778046C1 (ru) | Способ приема оптических импульсов | |
RU2755601C1 (ru) | Способ обнаружения оптических сигналов | |
US4571548A (en) | Floating limiter circuit | |
RU165106U1 (ru) | Фотоприемное устройство | |
RU2756384C1 (ru) | Способ порогового приема оптических сигналов | |
RU2755602C1 (ru) | Способ порогового обнаружения оптических сигналов | |
RU2797660C1 (ru) | Способ порогового обнаружения оптических сигналов | |
RU2791186C1 (ru) | Лазерный импульсный дальномер | |
US20160182157A1 (en) | Optical receiver and optical reception method | |
RU2791151C1 (ru) | Способ некогерентного накопления импульсных светолокационных сигналов |