Способ приема оптических сигналов
Владельцы патента RU 2750442:
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)
Изобретение относится к технике выделения сигналов из шума с помощью лавинных фотодиодов и может быть использовано в областях, где требуется обеспечение максимального отношения сигнал/шум. Способ приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода включает пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют значения умножаемого и неумножаемого шумовых токов фотодиода и шум-фактор лавинного умножения, после чего коэффициент лавинного умножения Μ фотодиода устанавливают так, чтобы его величина с учетом допуска на регулировку была близка к оптимальному значению где Ι02 и Jм2 - соответственно квадраты составляющих неумножаемого и умножаемого шумовых токов фотодиода в безлавинном режиме, приведенные к его выходу; α - коэффициент шум-фактора, определяемый структурой фотодиода, при этом порог срабатывания порогового устройства регулируют так, чтобы частота f превышений порогового уровня выбросами шумового процесса находилась в пределах f1<f<f2, где f1 и f2 - нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а величину f=Ν/Τ определяют путем подсчета количества N выходных импульсов за предварительно заданное время Т. Изобретение обеспечивает максимальные отношения сигнал/шум во всех условиях эксплуатации. 2 ил.
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 областях.
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 при пороговой обработке смеси сигнала и шума [3].
Недостатком этого способа является зависимость лавинного режима от выставленного порога срабатывания. Это приводит к неправильному выбору рабочей точки фотодиода и ухудшению реальной чувствительности [4].
Задачей изобретения является обеспечение чувствительности, близкой к предельно достижимой во всех эксплуатационных режимах.
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающем пороговое обнаружение сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют значения умножаемого и неумножаемого шумового тока фотодиода и шум-фактор лавинного умножения, после чего коэффициент лавинного умножения Μ фотодиода устанавливают так, чтобы его величина с учетом допуска на регулировку была близка к оптимальному значению где Ι02 и JМ2 - соответственно квадраты составляющих неумножаемого и умножаемого шумового тока фотодиода в безлавинном режиме, приведенные к его выходу; α - коэффициент шумфактора, определяемый структурой фотодиода; при этом порог срабатывания порогового устройства регулируют так, чтобы частота f превышений порогового уровня выбросами шумового процесса находилась в пределах f1<f<f2, где f1 и f2 - нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а величину f=Ν/Τ определяют путем подсчета количества N выходных импульсов за предварительно заданное время Т.
На фиг. 1 представлена схема фотоприемного тракта, реализующего данный способ. На фиг. 2 показаны графики зависимости отношения сигнал/шум η(Μ) для германиевого (фиг. 2а) и кремниевого (фиг. 2б) лавинных фотодиодов.
Схема 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 компенсации 5. Пороговое устройство охвачено цепью обратной связи в виде блока шумовой автоматической регулировки порога 6, включенного между выходом порогового устройства и его управляющим входом. Схема компенсации 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 Ι0, Ι1, α выбранных лавинных фотодиодов в зависимости от температуры и зависимость величины коэффициента лавинного умножения Μ от напряжения смещения фотодиода Uсм. Этот подготовительный цикл осуществляют однократно на этапе проектирования.
При изготовлении и отладке фотоприемного устройства с учетом ранее определенных зависимостей настраивают, например, по методике [2] блок установки лавинного режима так, чтобы во всех условиях эксплуатации коэффициент лавинного умножения с учетом допуска на регулировку был близок к своему оптимальному значению.
После выхода фотодиода на номинальный лавинный режим непосредственно перед приемом сигналов включают шумовую автоматическую регулировку порога, осуществляемую блоком 6, например, по методике, изложенной в [5]. После выхода шумовой регулировки порога на рабочий режим, включают режим приема сигналов.
Описанный способ обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум во всех условиях эксплуатации и при различных уровнях первоначально выставленного порога срабатывания.
Оптимальное значение коэффициента лавинного умножения Μ можно определить следующим образом. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока [4]
Ι02 - квадрат неумножаемого шумового тока
е - заряд электрона;
Ι1=Ιт+Ιф - первичный обратный ток фотодиода;
Iт - первичный (не умноженный) темновой ток фотодиода;
Iф - первичный фототок фона;
Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства;
М- коэффициент лавинного умножения;
Мα - шум-фактор лавинного умножения;
α - коэффициент, определяемый конструкцией фотодиода [4].
Квадрат W отношения шум/сигнал, приведенного к Μ
JM2=2eI1Δƒ.
Условие нуля производной
Или
Пример 1 (Фиг. 2а).
Германиевый фотодиод. I1=10-7 A. JM2=3,2⋅10-19 Α2. α=1. Рабочую точку фотодиода поддерживают при Μ=1,8…3,5. При этом максимальное отношение сигнал/шум, обеспечиваемое способом, то есть величина 
отличается от максимального значения при Μ=Мопт=3, не более, чем на 2%.
Пример 2 (Фиг. 2б).
Кремниевый фотодиод. 11=10-9 A. JM2=3,2⋅10-21 Α2. α=0,5. Рабочую точку фотодиода поддерживают при Μ=25…35. При этом максимальное отношение сигнал/шум, обеспечиваемое способом, отличается от максимального значения при Μ=Μопт=28, не более, чем на 2%.
Таким образом, обеспечивается реальная чувствительность, близкая к предельно достижимой во всех эксплуатационных режимах.
Источники информации
1. Росс М. Лазерные приемники. - «Мир», М, 1969 г. - 520 с.
2. Патент РФ №2248670. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения. 2005 г.
3. US pat. 4,077,718. Receiver for optical radar. 1978. - прототип.
4. 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.
5. Вильнер В.Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. - Оптико-механическая промышленность, 1984, №5, с. 39-41.
Способ приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, отличающийся тем, что предварительно определяют значения умножаемого и неумножаемого шумовых токов фотодиода и шум-фактор лавинного умножения, после чего коэффициент лавинного умножения Μ фотодиода устанавливают так, чтобы его величина с учетом допуска на регулировку была близка к оптимальному значению 
где I02 и JМ2 - соответственно квадраты составляющих неумножаемого и умножаемого шумовых токов фотодиода в безлавинном режиме, приведенные к его выходу; α - коэффициент шум-фактора, определяемый структурой фотодиода; при этом порог срабатывания порогового устройства регулируют так, чтобы частота f превышений порогового уровня выбросами шумового процесса находилась в пределах f1<f<f2, где f1 и f2 - нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а величину f=Ν/Τ определяют путем подсчета количества N выходных импульсов за предварительно заданное время Т.
