WO2020224861A1 - Verfahren zum betreiben einer photodiode und vorrichtung zum durchführen des verfahrens - Google Patents

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Mirko Hattass
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    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a photodiode.
  • Avalanche photodiodes are used to detect electromagnetic radiation from the infrared spectral range to the range of gamma rays. They are used in a wide variety of areas such as LIDAR systems, medical technology and high-energy physics. APDs use the photoelectric effect to generate electrons from incoming electromagnetic radiation. These primary electrons migrate into a zone with a very high field strength and trigger an avalanche effect through impact ionization, which amplifies the APD. The use of APDs as detectors for LIDAR systems in the automotive sector is of particular interest. Here a short light pulse is sent from a transmitter to a scene, the reflection of which is registered with an APD and a distance is determined over the duration of the light.
  • the reliable use of APDs in the automotive sector can be prevented by a temperature dependence of the gain.
  • a variation in temperature has an effect on the formation of a space charge zone and on electronic occupancy densities, which have an effect on the gain. If there is insufficient compensation for the temperature dependence of the gain, a signal-to-noise ratio of the APD can deteriorate significantly.
  • the voltage applied to the APD can be adjusted for different temperatures (approx. ⁇ 1 to 1.5 V / K). On the one hand, this requires precise knowledge of the temperature of the APD and, on the other hand, precise knowledge of the temperature behavior of the APD. In a real application, however, there may be uncertainties about the exact temperature at the APD.
  • a bias circuit for applying a bias voltage to an APD is known.
  • a temperature detector detects a temperature around the APD.
  • a memory contains voltage data corresponding to a plurality of temperatures in a prescribed temperature range. The bias voltage is adjusted according to the voltage data to compensate for changes in the gain of the APD due to temperature.
  • a method for detecting a light pulse reflected on an object is known.
  • a light pulse of known intensity and duration is emitted in the direction of the object and a reflection signal of the light pulse is recorded.
  • a gain sensor amplifies the reflection signal. The gain of the sensor is varied in a controlled manner in order to know the gain at each point in time of the detection.
  • an APD gain control circuit which comprises a bias generator for varying a bias voltage on a variable gain APD in response to bias control values, the bias voltage control values being generated by a controller.
  • the controller receives the output of the APD and determines a system noise for various bias control values.
  • the system noise is compared to a threshold value in order to determine an optimal bias for an optimal gain of the APD.
  • EP 1 006 591 A2 describes temperature compensation based on a temperature measurement.
  • the method is not based on precise knowledge of the temperature and the temperature behavior of the APD, since only a temperature around the APD is measured.
  • a device for carrying out the method is to be provided.
  • a method for operating a photodiode comprises the following method steps: In a first method step, an electrical voltage consisting of a sum of a constant first voltage and a second voltage at a fixed frequency is applied to the photodiode. In a second method step, an output signal from the photodiode is recorded. In a third method step, a spectral composition of the output signal is determined. In a fourth method step, at least one coefficient of a nonlinear term of a gain of the photodiode is determined on the basis of the spectral composition. In a fifth method step, an adjusted first voltage is applied to the photodiode, the first voltage being adjusted on the basis of the coefficient.
  • a variation in the gain due to a change in temperature can advantageously be compensated for by applying the adapted first voltage. Since, however, knowledge of the temperature and / or a temperature behavior of the photodiode is not required. Rather, by applying the second voltage in the first method step, a test signal is applied to the photodiode in order to determine at least one coefficient of the nonlinear term of the gain. This enables a conclusion to be drawn about the current gain and thus the application of the adapted first voltage, which can also be referred to as reverse voltage, in order to regulate the gain. The method thus enables the gain of the photodiode to be monitored and regulated.
  • the adjustment of the first voltage takes place in such a way that the gain remains constant.
  • the photodiode can advantageously deliver particularly reliable measured values when it is operated with a constant gain. A temperature dependency of the gain can be compensated without knowing the temperature and / or a temperature behavior of the photodiode.
  • a power of electromagnetic radiation incident on the photodiode is constant when the method is carried out.
  • the determination of the coefficient of the nonlinear term of the gain of the photodiode is advantageously not influenced by a variation in an incident intensity of electromagnetic radiation. In one embodiment, this can be ensured, for example, by selecting a measurement duration for detecting the output signal such that the power of the electromagnetic radiation incident on the photodiode is constant within the measurement duration.
  • the method is carried out in a dark phase of the photodiode. In this case, only a dark current of the photodiode is amplified and modulated by means of the applied test signal.
  • the method is carried out during operation of a LI DAR system which has the photodiode.
  • a pulse frequency of light pulses of the LIDAR system can be selected in such a way that a variation of the output signal due to the light pulses and a variation of the output signal due to the applied second voltage can be distinguished from one another.
  • the coefficient of the non-linear term of the gain can advantageously be determined better if the variation in the output signal due to the applied second voltage is not superimposed on the variation in the output signal due to the light pulse.
  • the frequency of the second voltage can in principle be in a wide frequency range, for example in a frequency range from 0 Hz to 100 MHz. In one embodiment, the frequency of the second voltage is greater than a refresh rate of the LIDAR system and less than an upper limit frequency of a bandwidth of an amplifier of the LIDAR system. In one embodiment, the frequency of the second voltage is in a range between 100 Hz and 20 MHz.
  • the determination of the spectral composition takes place by means of a Fourier analysis or by demodulation.
  • the Fourier analysis and the demodulation represent simple methods for determining the spectral composition of the output signal.
  • the photodiode is part of a LIDAR system of an automobile and the method is carried out while the automobile is in operation. Before geous enough, the photodiode of the LIDAR system can deliver reliable measurement data during operation of the automobile, since the gain of the photodiode is regulated. This can improve the efficiency of the LIDAR system. LIDAR systems are used in the automotive sector, for example in autonomous vehicles.
  • the method steps of the method are repeated.
  • variations in the gain of the photodiode as a result of rapid temperature changes can advantageously be compensated for.
  • the method can be repeated, for example, at discrete time intervals or, alternatively, quasi-continuously.
  • a device for performing the method has a photodiode with connections for applying an electrical voltage, a detection device for detecting an output signal of the photodiode, an analysis device for determining a spectral composition of the output signal, an evaluation device for determining at least one coefficient of a nonlinear term of a Ver amplification of the photodiode based on the spectral composition and a control device for adjusting the first voltage based on the Koeffi cients.
  • the photodiode is an avalanche photodiode.
  • FIG. 3 shows a variation of a gain of the photodiode by applying an electrical voltage with a specified frequency
  • 4 a frequency spectrum of an output signal from the photodiode
  • FIG. 5 an apparatus for carrying out the method.
  • the photodiode can, for example, be an avalanche photodiode (APD).
  • APDs use the photoelectric effect to generate electrons from incoming electromagnetic radiation. These primary electrons migrate into a zone with a very high electric field strength and trigger an avalanche effect there through impact ionization, which represents an amplification. This form of reinforcement is internal reinforcement.
  • the photodiode can, for example, also be a Zener diode, in which the avalanche effect occurs at least partially, which depends on an electrical voltage applied to the photodiode.
  • a first coordinate axis 101 represents the applied voltage.
  • a second coordinate axis 102 represents the gain of the photodiode.
  • a dependency of the gain is shown by way of example for four different temperatures.
  • a first curve 103 represents the gain at a first temperature.
  • a second curve 104 represents the gain at a second temperature.
  • a third curve 105 represents the gain at a third temperature.
  • a fourth curve 106 represents the gain at a fourth As can be seen from FIG. 1, the gain of the photodiode at a fixed voltage 107 is different for different temperatures.
  • FIG. 1 the gain of the photodiode at a fixed voltage 107 is different for different temperatures.
  • tangents 108 on the characteristic curves 103, 104, 105, 106 indicate that the characteristic curves 103, 104, 105, 106 have different slopes for the specified voltage 107. Furthermore, curvatures of the characteristic curves 103, 104, 105, 106 for the specified voltage 107 are different.
  • the present invention is based on the idea that if it is possible to know about the curvature of a characteristic curve, variations in the gain can be compensated for by temperature changes without having detailed information about the temperature of the photodiode itself. For this, the non-linear behavior of the gain has to be characterized. To describe the non-linear behavior of the gain, it can be represented as a first approximation with a linear and a non-linear (quadratic) term of the applied voltage:
  • G (T, U) G 0 (T) U (t) + Gi (T) U 2 (t) (1)
  • G is the gain, T the temperature, U the voltage applied to the photodiode, t the time, Go a coefficient of the linear term and Gi a coefficient of the nonlinear term.
  • a time-dependent voltage can now be set for the applied electrical voltage U:
  • Uo is a constant first voltage and U A is an amplitude of a second voltage with a fixed frequency o 0 .
  • Equations (1) and (2) give for the gain:
  • FIG. 2 schematically shows method steps 201, 202, 203, 204, 205 of a method 200 for operating a photodiode.
  • a first method step 201 an electrical voltage consisting of a sum of a constant first voltage and a second voltage with a fixed frequency is applied to the photodiode.
  • a second process step 202 an electrical voltage consisting of a sum of a constant first voltage and a second voltage with a fixed frequency is applied to the photodiode.
  • a spectral composition of the output signal is determined.
  • at least one coefficient of a nonlinear term of the gain of the photodiode is determined based on the spectral composition.
  • an adjusted first voltage is applied to the photodiode, the first voltage being adjusted on the basis of the coefficient.
  • the first voltage is the voltage Uo, which can also be referred to as the reverse voltage.
  • the second voltage has the amplitude U A and the specified frequency o 0 .
  • the second voltage can also be referred to as a test signal.
  • 3 shows schematically the variation of the gain 302 of the photodiode by applying the second voltage 301 with the fixed frequency w 0 .
  • the first coordinate axis 101 again represents the applied voltage.
  • the second coordinate axis 102 represents the gain of the photodiode.
  • FIG. 3 shows only the first characteristic curve 103 of the gain.
  • FIG. 3 also shows the applied first voltage 300 and a time profile of the applied second voltage 301 with the amplitude of U A and the fixed frequency coo.
  • the applied second voltage 301 is accompanied by a variation in the gain 302. If the photodiode is exposed to the incidence of electromagnetic radiation of constant power when the test signal is applied, ie when the second voltage 301 is applied, then an output signal can be measured which is also varied by the varying gain 302.
  • the output signal can, for example, be a photocurrent from the photodiode.
  • the gain 302 has a term that contains twice the fixed frequency o 0 .
  • the spectral composition of the output signal ie a frequency spectrum, is determined in the third method step 203.
  • the output signal can also have higher order frequency components. Integer and even multiples of the specified frequency are possible
  • a third coordinate axis 401 represents the frequency.
  • a fourth coordinate axis 402 represents amplitudes of individual frequency components. The frequency spectra are thus, for example, amplitude spectra.
  • a frequency spectrum of the test signal has only one frequency component 403 with the specified frequency o 0 .
  • a frequency spectrum of the output signal has, in addition to a first frequency component 404 with the defined frequency o 0, further frequency components 405, 406, 407.
  • a second frequency component 405 has the frequency 2 o 0 .
  • a third frequency component 406 has the frequency 4coo.
  • a fourth frequency component 405 has the frequency 60 0 .
  • the output signal can also have other integer and even multiples of the specified frequency o 0 .
  • the determination of the spectral composition can take place by means of a Fourier analysis or by demodulation.
  • a frequency spectrum is determined by means of a Fourier transformation. For example, an amplitude spectrum that contains proportions of amplitudes of frequency components of the output signal can be determined.
  • an envelope is determined at a fixed frequency. This frequency should correspond to an integer and even multiple of the specified frequency o 0 of the second voltage.
  • At least one coefficient of a nonlinear term of the gain of the photodiode is determined on the basis of the spectral composition. At least the coefficient Gi is determined. Coefficients of higher order terms of the gain can also be determined.
  • the method 200 is only intended to be explained below, however, for the case that only the coefficient Gi of the quadratic term is determined.
  • the coefficient of the quadratic term can be determined from the amplitude ratios of the first frequency component 404 and the second frequency component 405.
  • the coefficient Gi allows conclusions to be drawn about the gain G at a current temperature.
  • the first voltage Uo can now be adapted in order to adapt the gain G.
  • step 205 of method 200 the adjusted first voltage is applied to the photodiode.
  • the adaptation of the first voltage can for example take place in such a way that the gain remains constant. Because the gain is regulated in such a way that it remains constant, the photodiode can deliver particularly reliable and comparable measurement data.
  • the method 200 of FIG. 2 can be carried out in such a way that a power of electromagnetic radiation incident on the photodiode is constant when the method is carried out.
  • the output signal of the photodiode is not influenced by a variation in an incident intensity of electromagnetic radiation. In one embodiment, this can be ensured, for example, in that a measurement duration for detecting the output signal is selected such that the Power of the electromagnetic radiation incident on the photodiode is constant within the measurement period.
  • the method is carried out in a dark phase of the photodiode. In this case, only a dark current of the photodiode is amplified and modulated by means of the applied test signal.
  • FIG. 5 schematically shows a device 500 for performing the method 200 of FIG. 2.
  • the device 500 has the photodiode 501 with connections for applying an electrical voltage, a detection device 502 for detecting an output signal from the photodiode, an analysis device 503 for determining a spectral composition of the output signal, an evaluation device 504 for determining at least one coefficient of a nonlinear term of the Gain of the photodiode based on the spectral composition and a regulating device 505 for adjusting the first voltage based on the coefficient.
  • the photodiode is designed as an avalanche photodiode.
  • the detection device detects the output signal in the second method step 202 and provides it to the analysis device 503.
  • the analysis device 503 determines the spectral composition of the output signal and provides the determined spectral composition to the evaluation device 504.
  • the evaluation device 504 determines at least one coefficient of a non-linear term of the gain and makes it available to the control device 505.
  • the regulator 505 adjusts the first voltage and the adjusted first voltage is applied to the photodiode to adjust the gain.
  • the device 500 can, for example, be part of a LIDAR system.
  • the method 200 of FIG. 2 can also be carried out when the LIDAR system is in operation. It is useful here that a pulse frequency of light pulses of the LIDAR system is selected such that a variation of the output signal due to the light pulses and a variation of the output signal due to the applied second voltage can be distinguished from one another.
  • the frequency of the second voltage can in principle be in a wide frequency range, for example in a frequency range from 0 Hz to 100 MHz.
  • Voltage is greater than a refresh rate of the LIDAR system and less than an upper limit frequency of a bandwidth of an amplifier of the LIDAR system.
  • the frequency of the second voltage can, for example, be in a range between 100 Hz and 20 MHz.
  • An amplitude of the second voltage can be 1V, for example. This value merely indicates an exemplary order of magnitude of the amplitude of the second voltage and is not to be understood as restrictive.
  • the first voltage can be 100V, for example.
  • the exemplary value of 100V for the first voltage is also only intended to represent a typical order of magnitude and is not to be understood as restrictive.
  • the photodiode can also be part of a LIDAR system of an automobile.
  • Method 200 of FIG. 2 can also be carried out while the automobile is in operation. At the same time, the method can also be carried out while the automobile's LIDAR system is in operation.
  • the photodiode of the LIDAR system can advantageously provide reliable measurement data during operation of the automobile, since the amplification of the photodiode is regulated.

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben einer Photodiode umfasst folgende Verfahrensschritte: Es wird eine elektrische Spannung bestehend aus einer Summe einer konstanten ersten Spannung (300) und einer zweiten Spannung (301) mit einer festgelegten Frequenz an die Photodiode angelegt und ein Ausgangssignal der Photodiode erfasst. Anschließend wird eine spektrale Zusammensetzung des Ausgangssignals und zumindest ein Koeffizient eines nichtlinearen Terms einer Verstärkung (302) der Photodiode auf Grundlage der spektralen Zusammensetzung ermittelt. Eine angepasste erste Spannung wird dann an die Photodiode angelegt, wobei die erste Spannung (300) auf Grundlage des Koeffizienten angepasst wird. Die erste Koordinatenachse (101) stellt die an die Photodiode angelegte Spannung dar, und die zweite Koordinatenachse (102) stellt die Verstärkung der Photodiode dar. Eine erste Kennlinie (103) stellt die Verstärkung bei einer ersten Temperatur dar. Die Verstärkung (302) weist einen Term auf, der das Zweifache der festgelegten Frequenz enthält. Das Ausgangssignal (302) kann auch Frequenzkomponenten höherer Ordnung enthalten. Der ermittelte Koeffizient erlaubt es, Rückschlüsse über die Verstärkung bei einer momentanen Temperatur zu ziehen. Das Anpassen der ersten Spannung kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Verstärkung konstant bleibt. Dadurch, dass die Verstärkung derart geregelt wird, dass sie konstant bleibt, kann die Photodiode besonders zuverlässige und vergleichbare Messdaten liefern. Eine derart geregelte Photodiode kann ein Teil eines LIDAR System eines Automobils sein.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER PHOTODIODE UND
VORRICHTUNG ZUM DURCHFÜHREN DES VERFAHRENS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Photodiode.
Avalanche Photodioden (APDs) werden zur Detektion von elektromagnetischer Strah lung vom infraroten Spektralbereich bis in den Bereich der Gammastrahlen eingesetzt. Sie kommen in verschiedensten Bereichen wie beispielsweise in LIDAR Systemen, in der Medizintechnik und in der Hochenergiephysik zum Einsatz. APDs nutzen den pho toelektrischen Effekt aus, um aus eintreffender elektromagnetischer Strahlung Elektro nen zu generieren. Diese Primärelektronen wandern in eine Zone mit sehr hoher Feld stärke und lösen dort durch Stoßionisation einen Lawineneffekt aus, der eine Verstär kung der APD darstellt. Insbesondere von Interesse ist der Einsatz von APDs als De tektoren für LIDAR Systeme im Automobilbereich. Hierbei wird ein kurzer Lichtpuls von einem Sender auf eine Szenerie gesendet, dessen Reflektion mit einer APD registriert und über die Laufzeit des Lichts eine Entfernung bestimmt.
Dem zuverlässigen Einsatz einer APDs im Automobilbereich kann eine Temperaturab hängigkeit der Verstärkung entgegenstehen. Eine Variation der Temperatur hat Aus wirkung auf die Ausbildung einer Raumladungszone und auf elektronische Beset zungsdichten, die sich auf die Verstärkung auswirken. Bei einer unzureichenden Kom pensation der Temperaturabhängigkeit der Verstärkung, kann sich ein Signal zu Rausch-Verhältnis der APD deutlich verschlechtern. Typischerweise kann zur Kom pensation die angelegte Spannung an der APD für verschiedene Temperaturen ange passt werden (ca. ~1 bis 1 ,5 V/K). Dies erfordert zum einen eine genaue Kenntnis der Temperatur der APD und zum anderen eine genaue Kenntnis des Temperaturverhal tens der APD. In einer realen Applikation können allerdings Unsicherheiten darüber bestehen, welche exakte Temperatur an der APD herrscht. Zusätzlich kann es sein, dass eine Variation des Temperaturverhaltens über verschiedene Chargen von APDs auftritt. Ein Ausgleich des Temperaturverhaltens einer APD ist daher nur näherungs- weise möglich. Um Temperatureffekte zu minimieren, müsste für jede APD die Ver stärkung in Abhängigkeit der angelegten Spannung und der Temperatur vermessen werden.
Aus der EP 1 006 591 A2 ist eine Vorspannungsschaltung zum Anlegen einer Vor spannung an eine APD bekannt. Ein Temperaturdetektor detektiert eine Temperatur um die APD herum. Ein Speicher enthält Spannungsdaten entsprechend einer Vielzahl von Temperaturen in einem vorgeschriebenen Temperaturbereich. Die Vorspannung wird entsprechend den Spannungsdaten eingestellt, um temperaturbedingte Änderun gen der Verstärkung der APD zu kompensieren.
Aus der EP 2 056 126 A1 ist ein Verfahren zum Erfassen eines an einem Objekt reflek tierten Lichtpulses bekannt. Dabei wird ein Lichtpuls mit bekannter Intensität und Dauer in Richtung des Objekts emittiert und ein Reflexionssignal des Lichtpulses erfasst. Ein Verstärkungssensor verstärkt das Reflexionssignal. Die Verstärkung des Sensors wird auf kontrollierte Weise variiert, um die Verstärkung zu jedem Zeitpunkt der Erfassung zu kennen.
Aus der EP 0 856 943 A2 ist eine APD-Verstärkungssteuerschaltung bekannt, die ei nen Vorspannungsgenerator zum Variieren einer Vorspannung an einer APD mit vari abler Verstärkung als Reaktion auf Vorspannungssteuerwerte aufweist, wobei die Vor spannungssteuerwerte von einer Steuerung erzeugt werden. Die Steuerung empfängt das Ausgangssignal der APD und bestimmt ein System rauschen für verschiedene Vor spannungssteuerwerte. Das Systemrauschen wird mit einem Schwellwert verglichen, um eine optimale Vorspannung für eine optimale Verstärkung der APD zu ermitteln.
Die im Stand der Technik geschilderten Methoden weisen den Nachteil auf, dass eine Variation der Verstärkung einer APD in Abhängigkeit von der Temperatur nicht oder le diglich unzureichend kompensiert werden kann. Die EP 1 006 591 A2 beschreibt zwar eine Temperaturkompensation auf Grundlage einer Temperaturmessung. Das Verfah ren beruht allerdings nicht auf einer genauen Kenntnis über die Temperatur und das Temperaturverhalten der APD, da lediglich eine Temperatur um die APD herum ge messen wird. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Photodiode bereitzustellen. Darüber hinaus soll eine Vorrichtung zum Durchführen Verfahrens bereitgestellt werden. Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Betreiben einer Photodiode und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Wei terbildungen sind in abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Photodiode umfasst folgende Verfahrensschritte: In einem ersten Verfahrensschritt wird eine elektrische Spannung bestehend aus einer Summe einer konstanten ersten Spannung und einer zweiten Spannung mit einer fest gelegten Frequenz an die Photodiode angelegt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird ein Ausgangssignal der Photodiode erfasst. In einem dritten Verfahrensschritt wird eine spektrale Zusammensetzung des Ausgangssignals ermittelt. In einem vierten Ver fahrensschritt wird zumindest ein Koeffizient eines nichtlinearen Terms einer Verstär kung der Photodiode auf Grundlage der spektralen Zusammensetzung ermittelt. In ei nem fünften Verfahrensschritt wird eine angepasste erste Spannung an die Photodiode angelegt, wobei die erste Spannung auf Grundlage des Koeffizienten angepasst wird.
Vorteilhafterweise kann durch das Anlegen der angepassten ersten Spannung eine Va riation der Verstärkung durch eine Temperaturveränderung ausgeglichen werden. Da bei ist jedoch eine Kenntnis der Temperatur und/oder eines Temperaturverhaltens der Photodiode nicht erforderlich. Vielmehr wird durch das Anlegen der zweiten Spannung im ersten Verfahrensschritt ein Testsignal an die Photodiode angelegt, um zumindest einen Koeffizienten des nichtlinearen Terms der Verstärkung zu bestimmen. Dies er möglicht einen Rückschluss auf die aktuelle Verstärkung und damit das Anlegen der angepassten ersten Spannung, die auch als Sperrspannung bezeichnet werden kann, um die Verstärkung zu regeln. Das Verfahren ermöglicht also eine Überwachung und eine Regelung der Verstärkung der Photodiode.
In einer Ausführungsform erfolgt das Anpassen der ersten Spannung derart, dass die Verstärkung konstant bleibt. Vorteilhafterweise kann die Photodiode besonders zuver lässige Messwerte liefern, wenn sie mit einer konstanten Verstärkung betrieben wird. Eine Temperaturabhängigkeit der Verstärkung kann ohne die Kenntnis der Temperatur und/oder eines Temperaturverhaltens der Photodiode kompensiert werden. In einer Ausführungsform ist eine Leistung von auf die Photodiode eintreffender elekt romagnetischer Strahlung beim Durchführen des Verfahrens konstant. Vorteilhafter weise wird die Bestimmung des Koeffizienten des nichtlinearen Terms der Verstärkung der Photodiode nicht durch eine Variation einer einfallenden Intensität elektromagneti scher Strahlung beeinflusst. Dies kann in einer Ausführungsform beispielsweise dadurch sichergestellt werden, dass eine Messdauer zum Erfassen des Ausgangssig nals derart gewählt, dass die Leistung der auf die Photodiode eintreffenden elektro magnetischen Strahlung innerhalb der Messdauer konstant ist. In einer alternativen Ausführungsform wird das Verfahren in einer Dunkelphase der Photodiode durchge führt. In diesem Fall wird also lediglich ein Dunkelstrom der Photodiode verstärkt und mittels des angelegten Testsignals moduliert.
In einer Ausführungsform wird das Verfahren im Betrieb eines die Photodiode aufwei senden LI DAR Systems durchgeführt. Dabei kann in einer Ausführungsform eine Puls frequenz von Lichtpulsen des LIDAR Systems derart gewählt werden, dass eine Varia tion des Ausgangssignals aufgrund der Lichtpulse und eine Variation des Ausgangs signals aufgrund der angelegten zweiten Spannung voneinander unterscheidbar sind. Vorteilhafterweise kann der Koeffizient des nichtlinearen Terms der Verstärkung bes ser bestimmt werden, wenn die Variation des Ausgangssignals aufgrund der angeleg ten zweiten Spannung nicht mit der Variation des Ausgangssignals aufgrund der Licht pulse überlagert ist.
Die Frequenz der zweiten Spannung kann prinzipiell in einem weiten Frequenzbereich, beispielsweise in einem Frequenzbereich von 0Hz bis 100MHz, liegen. In einer Ausfüh rungsform ist die Frequenz der zweiten Spannung größer als eine Bildwiederholrate des LIDAR Systems und kleiner als eine obere Grenzfrequenz einer Bandbreite eines Verstärkers des LIDAR Systems. In einer Ausführungsform liegt die Frequenz der zweiten Spannung in einem Bereich zwischen 100Hz und 20MHz.
In einer Ausführungsform erfolgt das Ermitteln der spektralen Zusammensetzung durch eine Fourier-Analyse oder durch Demodulation. Vorteilhafterweise stellen die Fourier- Analyse und die Demodulation einfache Methoden dar, um die spektrale Zusammen setzung des Ausgangssignals zu ermitteln. In einer Ausführungsform ist die Photodiode ein Teil eines LIDAR System eines Automobils und das Verfahren wird im Betrieb des Automobils durchgeführt. Vor teilhafterweise kann die Photodiode des LIDAR Systems zuverlässige Messdaten im Betrieb des Automobils liefern, da die Verstärkung der Photodiode geregelt wird. Dies kann die Effizienz des LIDAR Systems verbessern. LIDAR Systeme werden im Automobilbereich beispielsweise in autonom fahrenden Fahrzeugen eingesetzt.
In einer Ausführungsform werden die Verfahrensschritte des Verfahrens wiederholt. Vorteilhafterweise können durch das Wiederholen des Verfahrens Variationen der Ver stärkung der Photodiode infolge von raschen Temperaturveränderungen kompensiert werden. Das Verfahren kann beispielsweise in diskreten Zeitabständen oder alternativ quasi-kontinuierlich wiederholt werden.
Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens weist eine Photodiode mit An schlüssen zum Anlegen einer elektrischen Spannung, eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Ausgangssignals der Photodiode, eine Analyseeinrichtung zum Ermit teln einer spektralen Zusammensetzung des Ausgangssignals, eine Auswerteeinrich tung zum Ermitteln zumindest eines Koeffizienten eines nichtlinearen Terms einer Ver stärkung der Photodiode auf Grundlage der spektralen Zusammensetzung und eine Regelungseinrichtung zum Anpassen der ersten Spannung auf Grundlage des Koeffi zienten auf. In einer Ausführungsform ist die Photodiode eine Avalanche Photodiode.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, sind klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zu sammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen in jeweils schematischer Darstellung:
Fig. 1 : beispielhafte Temperatur-Kennlinien einer Photodiode;
Fig. 2: Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Betreiben der Photodiode;
Fig. 3: eine Variation einer Verstärkung der Photodiode durch Anlegen einer elektri schen Spannung mit einer festgelegten Frequenz; Fig. 4: ein Frequenzspektrum eines Ausgangssignals der Photodiode; und Fig. 5: eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Fig. 1 zeigt schematisch beispielhafte Temperatur-Kennlinien einer Photodiode. Bei der Photodiode kann es sich beispielsweise um eine Avalanche Photodiode (APD) han deln. APDs nutzen den photoelektrischen Effekt aus, um aus eintreffender elektromag netischer Strahlung Elektronen zu erzeugen. Diese Primärelektronen wandern in eine Zone mit sehr hoher elektrischer Feldstärke und lösen dort durch Stoßionisation einen Lawineneffekt aus, der eine Verstärkung darstellt. Bei dieser Form der Verstärkung handelt es sich um eine interne Verstärkung. Die Photodiode kann beispielsweise auch eine Zener-Diode sein, bei der der Lawineneffekt zumindest teilweise auftritt, was von einer an die Photodiode angelegten elektrischen Spannung, abhängt.
In Fig. 1 stellt eine erste Koordinatenachse 101 die angelegte Spannung dar. Eine zweite Koordinatenachse 102 stellt die Verstärkung der Photodiode dar. Eine Abhän gigkeit der Verstärkung ist beispielhaft für vier verschiedene Temperaturen dargestellt. Eine erste Kennlinie 103 stellt die Verstärkung bei einer ersten Temperatur dar. Eine zweite Kennlinie 104 stellt die Verstärkung bei einer zweiten Temperatur dar. Eine drit te Kennlinie 105 stellt die Verstärkung bei einer dritten Temperatur dar. Eine vierte Kennlinie 106 stellt die Verstärkung bei einer vierten Temperatur dar. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist die Verstärkung der Photodiode bei einer festgelegten Spannung 107 für verschiedene Temperaturen unterschiedlich. Darüber hinaus deuten in Fig. 1 Tangen ten 108 an den Kennlinien 103, 104, 105, 106 an, dass die Kennlinien 103, 104, 105, 106 für die festgelegte Spannung 107 unterschiedliche Steigungen aufweisen. Ferner sind auch Krümmungen der Kennlinien 103, 104, 105, 106 für die festgelegte Span nung 107 unterschiedlich. Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass wenn eine Kenntnis über die Krümmung einer Kennlinie möglich ist, Variationen der Verstärkung durch Temperaturveränderungen ausgeglichen werden können, ohne detaillierte Informationen über die Temperatur der Photodiode selbst zu haben. Dazu muss das nichtlineare Verhalten der Verstärkung charakterisiert werden. Um das nichtlineare Verhalten der Verstärkung zu beschreiben, kann diese in erster Näherung mit einem linearen und einem nichtlinearen (quadratischen) Term der ange legten Spannung dargestellt werden:
G(T,U) = G0(T) U(t) + Gi(T) U2(t) (1)
Dabei ist G die Verstärkung, T die Temperatur, U die an die Photodiode angelegte Spannung, t die Zeit, Go ein Koeffizient des linearen Terms und Gi ein Koeffizient des nichtlinearen Terms. Für die angelegte elektrische Spannung U kann nun eine zeitab hängige Spannung angesetzt werden:
U(t)=Uo+UAsin(cö0t) (2)
Dabei ist Uo eine konstante erste Spannung und UA eine Amplitude einer zweiten Spannung mit einer festgelegten Frequenz o0.
Aus Gleichungen (1) und (2) ergibt sich für die Verstärkung:
G(T,U) = Go(T)Uo + Gi(T)U0 2 +
UAG0sin(cöot) + 2Gi(T)U0UAsin(oot) + G1(T)UA 2cos(2raot)/2 (3)
Fig. 2 zeigt schematisch Verfahrensschritte 201 , 202, 203, 204, 205 eines Verfahrens 200 zum Betreiben einer Photodiode.
In einem ersten Verfahrensschritt 201 wird eine elektrische Spannung bestehend aus einer Summe einer konstanten ersten Spannung und einer zweiten Spannung mit einer festgelegten Frequenz an die Photodiode angelegt. In einem zweiten Verfahrensschritt
202 wird ein Ausgangssignal der Photodiode erfasst. In einem dritten Verfahrensschritt
203 wird eine spektrale Zusammensetzung des Ausgangssignals ermittelt. In einem vierten Verfahrensschritt 204 wird zumindest ein Koeffizient eines nichtlinearen Terms der Verstärkung der Photodiode auf Grundlage der spektralen Zusammensetzung er mittelt. In einem fünften Verfahrensschritt 205 wird eine angepasste erste Spannung an die Photodiode angelegt, wobei die erste Spannung auf Grundlage des Koeffizienten angepasst wird. Optional können die Verfahrensschritte 201 , 202, 203, 204, 205 des Verfahrens 200 wiederholt werden.
Bei der ersten Spannung handelt es sich um die Spannung Uo, die auch als Sperr spannung bezeichnet werden kann. Die zweite Spannung weist die Amplitude UA und die festgelegte Frequenz o0 auf. Die zweite Spannung kann auch als Testsignal be zeichnet werden. Fig. 3 zeigt schematisch die Variation der Verstärkung 302 der Photodiode durch Anlegen der zweiten Spannung 301 mit der festgelegten Frequenz w0. In Fig. 3 stellt erneut die erste Koordinatenachse 101 die angelegte Spannung dar. Die zweite Koordinatenachse 102 stellt die Verstärkung der Photodiode dar. Beispielhaft zeigt Fig. 3 lediglich die erste Kennlinie 103 der Verstärkung.
In Fig. 3 ist ferner die angelegte erste Spannung 300 und ein zeitlicher Verlauf der angelegten zweiten Spannung 301 mit Amplitude der UA und der festgelegten Frequenz coo dargestellt. Mit der angelegten zweiten Spannung 301 geht eine Variation der Verstärkung 302 einher. Wird die Photodiode bei angelegtem Testsignal, d.h. bei angelegter zweiter Spannung 301 , beispielsweise einem Einfall elektromagnetischer Strahlung konstanter Leistung ausgesetzt, so ist ein Ausgangssignal messbar, das durch die variierende Verstärkung 302 ebenfalls variiert wird. Beim Ausgangssignal kann es sich beispielsweise um einen Photostrom der Photodiode handeln.
Wie anhand Gleichung (3) zu erkennen ist, weist die Verstärkung 302 einen Term auf, der das Zweifache der festgelegten Frequenz o0 enthält. Aus diesem Grund wird im dritten Verfahrensschritt 203 die spektrale Zusammensetzung des Ausgangssignals, d.h. ein Frequenzspektrum ermittelt. Abgesehen vom Zweifachen der festgelegten Frequenz w0, kann das Ausgangssignal auch Frequenzkomponenten höherer Ordnung aufweisen. Möglich sind ganzzahlige und gerade Vielfache der festgelegten Frequenz
Cöo.
Fig. 4 zeigt schematische Frequenzspektren des Testsignals und des Ausgangssignals. Eine dritte Koordinatenachse 401 stellt die Frequenz dar. Eine vierte Koordinatenachse 402 stellt Amplituden einzelner Frequenzkomponenten dar. Bei den Frequenzspektren handelt es sich also beispielhaft um Amplitudenspektren.
Ein Frequenzspektrum des Testsignals weist lediglich eine Frequenzkomponente 403 mit der festgelegten Frequenz o0 auf. Ein Frequenzspektrum des Ausgangssignals weist neben einer ersten Frequenzkomponente 404 mit der festgelegten Frequenz o0 weitere Frequenzkomponenten 405, 406, 407 auf. Eine zweite Frequenzkomponente 405 weist die Frequenz 2 o0 auf. Eine dritte Frequenzkomponente 406 weist die Frequenz 4coo auf. Eine vierte Frequenzkomponente 405 weist die Frequenz 6o0 auf. Das Ausgangssignal kann auch weitere, ganzzahlige und gerade Vielfache der festgelegten Frequenz o0 aufweisen.
Das Ermitteln der spektralen Zusammensetzung kann durch eine Fourier-Analyse oder durch Demodulation erfolgen. Bei der Fourier Analyse wird ein Frequenzspektrum mit tels einer Fourier-Transformation ermittelt. Beispielsweise kann ein Amplitudenspekt rum, das Anteile von Amplituden von Frequenzkomponenten des Ausgangssignals enthält, ermittelt werden. Bei der Demodulation wird eine Einhüllende bei einer festge legten Frequenz ermittelt. Diese Frequenz sollte einem ganzzahligen und geraden Viel fachen der festgelegten Frequenz o0 der zweiten Spannung entsprechen.
Im vierten Verfahrensschritt 204 des Verfahrens 200 der Fig. 2 wird zumindest ein Ko effizient eines nichtlinearen Terms der Verstärkung der Photodiode auf Grundlage der spektralen Zusammensetzung ermittelt. Dabei wird zumindest der Koeffizient Gi ermit telt. Koeffizienten von Termen höherer Ordnung der Verstärkung können ebenfalls er mittelt werden. Das Verfahren 200 soll im Folgenden jedoch lediglich für den Fall erläu tert werden, dass lediglich der Koeffizient Gi des quadratischen Terms ermittelt wird. Der Koeffizient des quadratischen Terms kann aus den Amplitudenverhältnissen der ersten Frequenzkomponente 404 und der zweiten Frequenzkomponente 405 ermittelt werden. Der Koeffizient Gi erlaubt es, Rückschlüsse über die Verstärkung G bei einer momentanen Temperatur zu ziehen. Auf Basis des ermittelten Koeffizienten des nicht linearen Terms der Verstärkung kann nun die erste Spannung Uo angepasst werden, um die Verstärkung G anzupassen. Aus diesem Grund wird im fünften Verfahrens schritt 205 des Verfahrens 200 die angepasste erste Spannung an die Photodiode an gelegt. Das Anpassen der ersten Spannung kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Verstärkung konstant bleibt. Dadurch, dass die Verstärkung derart geregelt wird, dass sie konstant bleibt, kann die Photodiode besonders zuverlässige und vergleichba re Messdaten liefern.
Das Verfahren 200 der Fig. 2 kann derart durchgeführt werden, dass eine Leistung von auf die Photodiode eintreffender elektromagnetischer Strahlung beim Durchführen des Verfahrens konstant ist. Dadurch wird das Ausgangssignal der Photodiode nicht durch eine Variation einer einfallenden Intensität elektromagnetischer Strahlung beeinflusst. Dies kann in einer Ausführungsform beispielsweise dadurch sichergestellt werden, dass eine Messdauer zum Erfassen des Ausgangssignals derart gewählt, dass die Leistung der auf die Photodiode eintreffenden elektromagnetischen Strahlung inner halb der Messdauer konstant ist. Alternativ wird das Verfahren in einer Dunkelphase der Photodiode durchgeführt wird. In diesem Fall wird also lediglich ein Dunkelstrom der Photodiode verstärkt und mittels des angelegten Testsignals moduliert.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung 500 zum Durchführen des Verfahrens 200 der Fig. 2.
Die Vorrichtung 500 weist die Photodiode 501 mit Anschlüssen zum Anlegen einer elektrischen Spannung, eine Erfassungseinrichtung 502 zum Erfassen eines Aus gangssignals der Photodiode, eine Analyseeinrichtung 503 zum Ermitteln einer spekt ralen Zusammensetzung des Ausgangssignals, eine Auswerteeinrichtung 504 zum Ermitteln zumindest eines Koeffizienten eines nichtlinearen Terms der Verstärkung der Photodiode auf Grundlage der spektralen Zusammensetzung und eine Regelungsein richtung 505 zum Anpassen der ersten Spannung auf Grundlage des Koeffizienten auf. In einer Ausführungsform ist die Photodiode als Avalanche Photodiode ausgebildet.
Beim Verfahren 200 der Fig. 2 erfasst die Erfassungseinrichtung im zweiten Verfah rensschritt 202 das Ausgangssignal und stellt es der Analyseeinrichtung 503 bereit. Die Analyseeinrichtung 503 ermittelt die spektrale Zusammensetzung des Ausgangssig nals und stellt die ermittelte spektrale Zusammensetzung der Auswerteeinrichtung 504 bereit. Die Auswerteeinrichtung 504 ermittelt zumindest einen Koeffizienten eines nichtlinearen Terms der Verstärkung und stellt ihn der Regelungseinrichtung 505 zu Verfügung. Die Regelungseinrichtung 505 passt die erste Spannung an und die ange passte erste Spannung wird an die Photodiode angelegt, um die Verstärkung anzupas sen.
Die Vorrichtung 500 kann beispielsweise ein Teil eines LIDAR Systems sein. Das Verfahren 200 der Fig. 2 kann auch im Betrieb des LIDAR Systems durchgeführt werden. Hierbei ist es zweckmäßig, dass eine Pulsfrequenz von Lichtpulsen des LIDAR Systems derart gewählt wird, dass eine Variation des Ausgangssignals aufgrund der Lichtpulse und eine Variation des Ausgangssignals aufgrund der angelegten zweiten Spannung voneinander unterscheidbar sind. Die Frequenz der zweiten Spannung kann prinzipiell in einem weiten Frequenz bereich, beispielsweise in einem Frequenzbereich von 0Hz bis 100MHz, liegen.
Für das LIDAR System ist es zweckmäßig, wenn die Frequenz der zweiten
Spannung größer als eine Bildwiederholrate des LIDAR Systems und kleiner als eine obere Grenzfrequenz einer Bandbreite eines Verstärkers des LIDAR Sys tems ist. Die Frequenz der zweiten Spannung kann beispielsweise in einem Be reich zwischen 100Hz und 20MHz liegen. Eine Amplitude der zweiten Spannung kann beispielsweise 1V betragen. Dieser Wert deutet lediglich eine beispielhafte Größenordnung der Amplitude der zweiten Spannung an und ist nicht einschrän- kend zu verstehen. Die erste Spannung kann beispielsweise 100V betragen.
Auch der beispielhaft angeführte Wert von 100V für die erste Spannung soll le diglich eine typische Größenordnung darstellen und ist nicht einschränkend zu verstehen. Die Photodiode kann auch ein Teil eines LIDAR System eines Automobils sein. Das
Verfahren 200 der Fig. 2 kann auch im Betrieb des Automobils durchgeführt werden. Gleichzeitig kann das Verfahren auch im Betrieb des LIDAR Systems des Automobils durchgeführt werden. Vorteilhafterweise kann die Photodiode des LIDAR Systems zu verlässige Messdaten im Betrieb des Automobils liefern, da die Verstärkung der Pho- todiode geregelt wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (200) zum Betreiben einer Photodiode (501) mit folgenden Verfah rensschritten:
- Anlegen einer elektrischen Spannung bestehend aus einer Summe einer konstanten ersten Spannung (300) und einer zweiten Spannung (301) mit einer festgelegten Frequenz an die Photodiode (501),
- Erfassen eines Ausgangssignals der Photodiode (501),
- Ermitteln einer spektralen Zusammensetzung des Ausgangssignals,
- Ermitteln zumindest eines Koeffizienten eines nichtlinearen Terms einer Verstärkung (302) der Photodiode (501) auf Grundlage der spektralen Zu sammensetzung,
- Anlegen einer anpassten ersten Spannung an die Photodiode (501), wobei die erste Spannung (300) auf Grundlage des Koeffizienten angepasst wird.
2. Verfahren (200) gemäß Anspruch 1 ,
wobei das Anpassen der ersten Spannung (300) derart erfolgt, dass die Ver stärkung konstant bleibt.
3. Verfahren (200) gemäß Anspruch 1 oder 2,
wobei eine Leistung von auf die Photodiode (501) eintreffender elektromag netischer Strahlung beim Durchführen des Verfahrens (200) konstant ist.
4. Verfahren (200) gemäß Anspruch 3,
wobei eine Messdauer zum Erfassen des Ausgangssignals derart gewählt wird, dass die Leistung der auf die Photodiode (501) eintreffenden elektro magnetischen Strahlung innerhalb der Messdauer konstant ist.
5. Verfahren (200) gemäß Anspruch 3,
wobei das Verfahren (200) in einer Dunkelphase der Photodiode (501) durchgeführt wird.
6. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei Verfahren (200) im Betrieb eines die Photodiode (501) aufweisenden LIDAR Systems durchgeführt wird.
7. Verfahren (200) gemäß Anspruch 6,
wobei eine Pulsfrequenz von Lichtpulsen des LIDAR Systems derart gewählt wird, dass eine Variation des Ausgangssignals aufgrund der Lichtpulse und eine Variation des Ausgangssignals aufgrund der angelegten zweiten Span nung (301) voneinander unterscheidbar sind.
8. Verfahren (200) gemäß Anspruch 6 oder 7,
wobei die Frequenz der zweiten Spannung (301) größer als eine Bildwieder holrate des LIDAR Systems und kleiner als eine obere Grenzfrequenz einer Bandbreite eines Verstärkers des LIDAR Systems ist.
9. Verfahren (200) gemäß Anspruch 8,
wobei die Frequenz der zweiten Spannung (301) in einem Bereich zwischen 100Hz und 20MHz liegt.
10. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Ermitteln der spektralen Zusammensetzung durch eine Fourier- Analyse oder durch Demodulation erfolgt.
11. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Photodiode (501) ein Teil eines LIDAR System eines Automobils ist,
wobei das Verfahren (200) im Betrieb des Automobils durchgeführt wird.
12. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Verfahrensschritte (201 , 202, 203, 204, 205) des Verfahrens (200) wiederholt werden.
13. Vorrichtung (500) zum Durchführen des Verfahrens (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12,
wobei die Vorrichtung (500) eine Photodiode (501) mit Anschlüssen zum An legen einer elektrischen Spannung, eine Erfassungseinrichtung (502) zum Erfassen eines Ausgangssignals der Photodiode (501), eine Analyseeinrich tung (503) zum Ermitteln einer spektralen Zusammensetzung des Aus gangssignals, eine Auswerteeinrichtung (504) zum Ermitteln zumindest ei nes Koeffizienten eines nichtlinearen Terms einer Verstärkung (302) der Photodiode (501) auf Grundlage der spektralen Zusammensetzung und eine Regelungseinrichtung (505) zum Anpassen der ersten Spannung auf Grund lage des Koeffizienten aufweist.
14. Vorrichtung (500) gemäß Anspruch 13,
wobei die Photodiode (501) eine Avalanche Photodiode ist.
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