Способ приема оптических импульсов

Изобретение относится к приему оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов и может быть использовано в локации, связи и других фотоэлектронных системах. Способ приема оптических импульсов 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, настройку лавинного режима производят в температурной точке Т=Т0, наиболее критичной к заданным условиям эксплуатации, а ход температурной зависимости напряжения смещения образуют так, чтобы коэффициент лавинного умножения фотодиода удовлетворял заданным требованиям по коэффициенту усиления приемного тракта с учетом допустимой частоты микроплазменных пробоев во всем рабочем температурном диапазоне, включая точку Т=Т0, при этом коэффициент лавинного умножения М в температурной точке Т=Т0 должен быть как можно ближе к оптимальному значению где Q - постоянный коэффициент, не зависящий от температуры и устанавливаемый при регулировке. Технический результат заключается в обеспечении близкой к предельно достижимой чувствительности во всех режимах, в том числе при наличии микроплазменных пробоев. 3 з.п. ф-лы, 5 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 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, с. 345]. Микроплазменные импульсы тока имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения обратного напряжения. Увеличение напряжения смещения 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 при наличии микроплазменных пробоев.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе приема оптических импульсов 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, настройку лавинного режима производят в температурной точке Т=Т0, наиболее критичной к заданным условиям эксплуатации, а ход температурной зависимости напряжения смещения образуют так, чтобы коэффициент лавинного умножения фотодиода удовлетворял заданным требованиям по коэффициенту усиления приемного тракта с учетом допустимой частоты микроплазменных пробоев во всем рабочем температурном диапазоне, включая точку Т=Т0, при этом коэффициент лавинного умножения М в температурной точке Т=Т0 должен быть как можно ближе к оптимальному значению где Q - постоянный коэффициент, не зависящий от температуры и устанавливаемый при регулировке.

Температурная точка Т0 может быть выбрана равной минимальной рабочей температуре Т0=Tmin, при этом температурный ход оптимального коэффициента лавинного умножения где Qmin - постоянный коэффициент, устанавливаемый при регулировке лавинного режима в температурной точке Т0=Tmin с учетом допустимой частоты микроплазм.

Температурная точка Т0 может быть выбрана равной максимальной рабочей температуре Т0=Tmax, при этом температурный ход коэффициента лавинного умножения уменьшают относительно значения, установленного в точке Т=Tmax.

При регулировке лавинного режима в точке Т0=Tmax температурный ход коэффициента лавинного умножения М(Т) может быть установлен равным М(Т)=Мопт(Tmax) во всем рабочем температурном диапазоне.

На фиг. 1 представлена схема фотоприемного тракта, реализующего данный способ. На фиг. 2 - зависимость первичного темнового тока от температуры для кремниевого лавинного фотодиода. На фиг. 3 показаны графики зависимости коэффициента лавинного умножения М от температуры - для Мопт, график 7, для аппроксимации Мопт путем построения практической зависимости напряжения смещения Uопт(T) от температуры, график 8, и для Uсм=0,98Uопт(Т), график 9, а также для М=Const во всем температурном диапазоне, график 10. На фиг. 4 приведены зависимости напряжения пробоя (график 11) от температуры и напряжения смещения фотодиода для М=Мопт(Т) - график 12 и для М=Мопт(Tmax) - график 13.

На фиг. 5 показаны графики отрицательной поправки к линейной зависимости напряжения смещения от температуры относительно температурной зависимости напряжения пробоя для М(Т)=M(Tmin) (график 14) и для М(Т)=Мопт(Т) - график 15.

Фотоприемный тракт (фиг. 1) 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 с датчиком температуры 6.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно на этапе проектирования определяют наиболее критичную температуру. Обычно это минимальная температура заданного температурного диапазона Т0=Tmin, поскольку при низкой температуре оптимальный коэффициент лавинного умножения М максимален и более чувствителен к отклонениям напряжения смещения, что повышает требования к точности настройки. Кроме того, высокое значение М повышает риск микроплазменных пробоев, в связи с чем рабочее напряжение смещения в этой точке приходится устанавливать ниже, чем в других участках температурного диапазона.

Если способ предназначен для систем передачи данных и других задач, где требуется температурная стабильность коэффициента передачи приемного тракта, то настройку режима термокомпенсации производят в точке минимального значения Мопт, то есть при температуре Т0=Tmax.

В процессе производства в точке Т0 выставляют наиболее близкое к оптимальному значение Мопт0) с учетом допустимой частоты микроплазм. Установив это субоптимальное значение коэффициента лавинного умножения, настраивают температурный ход М(Т), совпадающий в точке Т0 с выставленным значением Мопт0).

Оптимальное значение коэффициента лавинного умножения М можно определить следующим образом. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока

I02 - квадрат неумножаемого шумового тока

е - заряд электрона;

I1 - первичный (неумноженный) 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

Jм2=2eI1Δƒ.

Производная W по М

Условие нуля производной

Или

откуда

Согласно имеющимся данным, первичный темновой ток фотодиода во всем рабочем температурном диапазоне экспоненциально зависит от температуры с температурным коэффициентом β=Const, причем, для любой температуры Т в пределах этого диапазона справедливо соотношение

[I1(T)-I1(T-10)]/I1(T)~2.

Так, для кремниевых лавинных n+pip+ фотодиодов (фиг. 2) [9, с. 251].

где Т*=T1-Tmin;

Imin - первичный темновой ток при температуре Tmin.

Подстановка в (6) с учетом (7) дает зависимость оптимального коэффициента лавинного умножения от температуры.

- постоянный коэффициент, не зависящий от температуры;

k - постоянная Больцмана;

K - коэффициент шума;

R - нагрузка фотодиода;

Imin - минимальный первичный темновой ток;

β - температурный коэффициент темнового тока.

Пример 1

Imin(T=-50°)=6⋅10-14 А; β=0,085 1/град; α=0,5.

Зависимость Мопт(Т) для этих данных приведена в таблице 1 и на фиг. 3 - кривая 7.

Для реализации Мопт(Т) необходимо создать соответствующий температурный ход напряжения смещения фотодиода Uсм(T), например, с помощью известной формулы Миллера [10, с. 151].

где Uпр - напряжение лавинного пробоя;

ξ - коэффициент характеризуемый типом фотодиода; для кремниевых фотодиодов ξ=3,4…4 [10].

Из (9) следует.

Напряжение пробоя Uпр зависит от температуры Т линейно.

Для кремниевых фотодиодов температурный коэффициент ζ~2 В/град.

Так, для кремниевого лавинного фотодиода S12092-05 [11] ζ=1,85 В/град.

Пример 2 Tmin=-50°С; Tmax=+50°С; ξ=4; ζ=1,85 В/град;

Uпр(Tmin=-50°С)=150 В; Imin(T=-50°)=6⋅10-14 A; R=106 Ом.

При этих данных Q=31,9. Результаты расчета приведены в таблице 2 и на фиг. 3.

Согласно (8) Моптmin)=175,4; температурная зависимость Мопт(Т), проходящая через точку Моптmin), представлена на фиг. 3 (кривая 7).

Линейная температурная зависимость напряжения пробоя Uпр(T) показана на фиг. 4 (кривая 11). Кривая 12 - вид Uсмопт) напряжения смещения (8). Разность между напряжением пробоя 11 и напряжением смещения 12 показана на графике 15 фиг. 5. Для реализации такого температурного хода можно ввести корректирующую поправку вида ΔU(T)=3(1-е-0,01T*)(1-е-0,05(100-T*)). Коэффициент лавинного умножения, соответствующий этой поправке представлен графиком 8 (фиг. 3). Температурный ход коэффициента лавинного умножения 8 предельно близок к оптимальному, а соответствующее ему отношение сигнал/шум практически не отличается от максимального.

Температурная компенсация режима М(Т)=Const носит линейный характер, соответственно температурному ходу Uпр(T) - кривая 13 фиг. 4. Расчетные значения поправки (Uпр-Uсм) для рассмотренных случаев приведены в таблице 3.

Область высоких значений Мопт характеризуется трудностью поддержания коэффициента лавинного умножения с высокой точностью в течение срока эксплуатации. При этом в этой области наблюдается повышенная вероятность микроплазменных пробоев. Для предотвращения этих проблем пропорционально понижают напряжение смещения до прекращения микроплазменных пробоев в точке Tmin.

Пример 3

Uсм(T)=0,98Uсм(Т)кор.

В таком режиме правая часть кривой М(Т) остается оптимальной, а левая снижается в два раза относительно максимального значения (кривая 9, фиг. 3). При такой «недорегулировке» при температуре Tmin коэффициент лавинного умножения в точке наихудшей чувствительности при максимальной температуре +50°С практически совпадает с оптимальным, то есть отношение сигнал/шум во всем температурном диапазоне оказывается максимально возможным с учетом микроплазм.

В некоторых приложениях необходимо поддерживать одинаковый коэффициент передачи приемного тракта при всех температурах (график 10, фиг. 3). Тогда регулировку лавинного режима следует производить при максимальной температуре, добиваясь в ней оптимального отношения сигнал/шум.

В процессе работы устанавливают напряжение смещения фотодиода в соответствии с окружающей температурой, реализуя установленный ход Uсм(T) с помощью датчика температуры 6 и схемы термокомпенсации 5 (фиг. 1). При этом напряжение смещения уменьшают относительно оптимального до уровня, при котором частота микроплазм удовлетворяет заданным требованиям.

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 №2248670. 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, - 384 с.

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 Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды. Москва, Физматгиз. 2011, - 448 с.

10 Анисимова И.Д. и др. Под ред. В.И. Стафеева. Полупроводниковые фотоприемники. Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. М., Радио и связь. 1984. - 216 с.

11 Hamamatsu. Cat. No. KAPD1013E05 Aug. 2016 DN. Si APD S9251/S12092 series.

1. Способ приема оптических импульсов с помощью 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 настройку лавинного режима производят в температурной точке Т=Т0, наиболее критичной к заданным условиям эксплуатации, а ход температурной зависимости напряжения смещения образуют так, чтобы коэффициент лавинного умножения фотодиода удовлетворял заданным требованиям по коэффициенту усиления приемного тракта с учетом допустимой частоты микроплазменных пробоев во всем рабочем температурном диапазоне, включая точку Т=Т0, при этом коэффициент лавинного умножения М в температурной точке Т=Т0 должен быть как можно ближе к оптимальному значению где Q - постоянный коэффициент, не зависящий от температуры и устанавливаемый при регулировке, α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода, β - температурный коэффициент темнового тока фотодиода.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температурную точку Т0 выбирают равной минимальной рабочей температуре Т0=Tmin, при этом температурный ход оптимального коэффициента лавинного умножения где Qmin - постоянный коэффициент, устанавливаемый при регулировке лавинного режима в температурной точке Т0=Tmin с учетом допустимой частоты микроплазм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температурную точку Т0 выбирают равной максимальной рабочей температуре Т0=Tmax, при этом температурный ход коэффициента лавинного умножения находится ниже кривой пересекаясь с ней в точке Т=Tmax.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что при регулировке лавинного режима в точке Т0=Tmax температурный ход коэффициента лавинного умножения М(Т) устанавливают равным М(Т)=Мопт(Tmax) во всем рабочем температурном диапазоне.



 

Похожие патенты:

Микропиксельный лавинный фотодиод может быть использован для регистрации слабых потоков световых и гамма-квантов, а также заряженных частиц в составе устройств медицинской гамма-томографии, радиационного мониторинга и ядерно-физических экспериментов. Техническим результатом изобретения является улучшение стабильности работы и увеличение чувствительности лавинного фотодиода.

Изобретение может быть использовано в оптических системах связи, в системах измерения в качестве оптоэлектронного датчика, в том числе при регистрации одиночных фотонов в системах квантовой криптографии, в интегральной оптоэлектронике и системах тестирования интегральных схем, а также в других областях, предполагающих регистрацию оптического сигнала.

ИИзобретение относится к технике выделения сигналов из шума с помощью лавинных фотодиодов. Технический результат изобретения заключается в обеспечении максимального отношения сигнал/шум.

Изобретение относится к приему сигналов, в частности к технике выделения сигналов из шума с помощью лавинных фотодиодов. Технический результат изобретения заключается в обеспечении максимального отношения сигнал/шум во всех условиях эксплуатации.

Изобретения относятся к лавинным фотодетекторам (ЛФД) - быстродействующим, высокочувствительным приборам, широко используемым в лидарах, системах связи, технического зрения, робототехнике, в медицине и биологии в мониторинге окружающей среды и т.д. Предложен способ изготовления лавинного фотодетектора, включающий следующие операции: на всей поверхности полупроводниковой подложки формируют слой умножения; на поверхности слоя умножения вытравливают замкнутую канавку на глубину, равную или большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложки и слоя умножения, для формирования внутри нее фотодетектора; заполняют замкнутую канавку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения; на части верхней поверхности слоя умножения, ограниченной вышеупомянутой замкнутой канавкой, формируют контактный слой по меньшей мере одного лавинного усилителя, образуя за пределами этого контактного слоя область фотопреобразователя; на контактном слое формируют первый прозрачный электрод; на нижней поверхности полупроводниковой подложки формируют второй электрод.

Изобретения относятся к лавинным фотодетекторам (ЛФД) - быстродействующим, высокочувствительным приборам, широко используемым в лидарах, системах связи, технического зрения, робототехнике, в медицине и биологии в мониторинге окружающей среды и т.д. Предложен способ изготовления лавинного фотодетектора, включающий следующие операции: на всей верхней поверхности полупроводниковой подложки формируют слой умножения; на части верхней поверхности слоя умножения формируют, по меньшей мере, один лавинный усилитель, для чего по границе этой части слоя умножения вытравливают кольцевую канавку глубиной, меньшей, чем толщина слоя умножения, заполняют ее диэлектриком, а внутри области, ограниченной канавкой, наносят контактный слой упомянутого лавинного усилителя, образуя слой фотопреобразователя за пределами области, ограниченной канавкой; на верхнюю поверхность фотопреобразователя наносят слой диэлектрика; на поверхность контактного и диэлектрического слоев наносят первый электрод из прозрачного материала; на нижней поверхности полупроводниковой подложки формируют второй электрод.

Изобретения относятся к лавинным фотодетекторам (ЛФД) - быстродействующим, высокочувствительным приборам, широко используемым в лидарах, системах связи, технического зрения, робототехнике, в медицине и биологии в мониторинге окружающей среды и т.д. Предложен способ изготовления лавинного фотодетектора, включающий следующие операции: на всей поверхности полупроводниковой подложки формируют слой умножения; на всю поверхность слоя умножения наносят слой диэлектрика; на части верхней поверхности слоя умножения и слоя диэлектрика формируют по меньшей мере один лавинный усилитель, для чего в слое диэлектрика и слое умножения вытравливают выемку, боковые стенки которой покрывают слоем диэлектрика, формируют контактный слой упомянутого лавинного усилителя путем заполнения выемки сильнолегированным поликристаллическим кремнием с типом проводимости, противоположным проводимости слоя умножения, с последующей диффузией из области поликристаллического кремния в слой умножения, и фотопреобразователь, образующийся вне выемки; на поверхность контактного слоя и слоя диэлектрика наносят первый электрод из прозрачного материала; на нижней поверхности полупроводниковой подложки формируют второй электрод.

Предложено устройство фотодетектирования, в котором на виде сверху первая полупроводниковая область первого типа проводимости перекрывает по меньшей мере часть третьей полупроводниковой области, вторая полупроводниковая область перекрывает по меньшей мере часть четвертой полупроводниковой области второго типа проводимости, значение потенциала третьей полупроводниковой области в отношении электрического заряда первого типа проводимости меньше значения потенциала четвертой полупроводниковой области, а разность между значением потенциала первой полупроводниковой области и значением потенциала третьей полупроводниковой области больше разности между значением потенциала второй полупроводниковой области и значением потенциала четвертой полупроводниковой области.

Использование: для изготовления фоточувствительных приборов. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления планарного лавинного фотодиода включает последовательное эпитаксиальное наращивание на подложку InP n-типа InP буферного слоя n-типа, поглощающего слоя InGaAs n-типа, разделительного слоя InGaAsP, зарядового слоя InP n-типа и слоя умножения InP n-типа; формирование защитного слоя на слое умножения InP; 1-ю ФЛГ: селективное травление светопоглощающей области в защитном слое и слое умножения InP; включающее травление светопоглощающей области защитного слоя и слоя умножения InP на заданную глубину для обеспечения заданного профиля травления с положительным наклоном боковой стенки для уменьшения кривизны области пространственного заряда (создание эффекта охранного кольца) и предотвращение раннего краевого пробоя; 2-ю ФЛГ: селективное травление защитного слоя в области охранного кольца до слоя умножения; диффузию из твердого источника в слой умножения при заданной температуре; формирование светоотражающего слоя на диффузионном слое; 3-ю ФЛГ: локальное травление через маску фоторезиста светоотражающего слоя для формирования контактного окна на светопоглощающей области; 4-ю ФЛГ: формирование слоя верхнего электрода на диффузионной области, образованной на светопоглащающей области; образование нижнего электродного слой на обратной стороне подложки, при этом селективное травление углубления в светопоглощающей области умножающего слоя InP осуществляется методом жидкостного химического травления, которое за счет подбора травителя, время травления и ориентации фотошаблона относительно кристаллографического направления на пластине, обозначенного базовым срезом, обеспечивает воспроизводимую глубину и профиль травления в указанном слое InP; диффузия Zn3P2 осуществляется в откаченной и запаянной кварцевой ампуле при заданной температуре.

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, конкретно к полупроводниковым лавинным фотоприемникам с внутренним усилением сигнала, и может применяться для регистрации слабых потоков световых квантов, гамма излучения и заряженных ядерных частиц. Лавинный полупроводниковый фотоприемник включает полупроводниковый слой первого типа проводимости, на поверхности которого выполнены множество полупроводниковых областей второго типа проводимости, на части поверхности которых расположены индивидуальные эмиттеры, образующие потенциальные барьеры с полупроводниковыми областями, первая и вторая проводящие шины, отделенные от полупроводникового слоя диэлектрическим слоем, индивидуальные микрорезисторы, соединяющие полупроводниковые области с первой проводящей шиной, и дополнительные индивидуальные микрорезисторы, соединяющие индивидуальные эмиттеры со второй проводящей шиной, при этом по всему периметру каждой полупроводниковой области выполнено индивидуальное охранное кольцо, а между каждой полупроводниковой областью и полупроводниковым слоем сформирована дополнительная полупроводниковая область первого типа проводимости с повышенной концентрацией легирующих примесей по сравнению с полупроводниковым слоем.

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 стабилизации лавинного режима фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении принятым сигналом заданного порога срабатывания Uпор1, при этом контролируют частоту f микроплазменных импульсов относительно порога Uпор2>Uпор1, а напряжение смещения Uсм фотодиода постепенно повышают до уровня Uсм, при котором частота f сначала растет до максимального значения fmax, а затем снижается до предельно допустимого значения fmin, после чего приступают к приему сигналов.
Наверх