Способ приема импульсных оптических сигналов

Авторы патента:

Кузнецов Евгений Викторович (RU)

Вильнер Валерий Григорьевич (RU)

Седова Надежда Валентиновна (RU)

Землянов Михаил Михайлович (RU)

Сафутин Александр Ефремович (RU)

H01L31/107 - с потенциальным барьером, работающим в лавинном режиме, например лавинные фотодиоды

G01R19/175 - с индикацией мгновенного прохождения тока или напряжения через заданное значение, например через нуль

Владельцы патента RU 2778048:

Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)

Изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности к технике приема сигналов с помощью лавинных фотодиодов. Способ приема импульсных оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов с помощью порогового устройства и формирование выходных импульсов, предварительно определяют неумножаемую составляющую квадрата шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают порог приведенный к выходу фотодиода, в пределах где - квадрат неумножаемого шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают напряжение смещения фотодиода на уровне, при котором коэффициент лавинного умножения где α - коэффициент шума фотодиода, - квадрат умножаемой составляющей первичного шумового тока, приведенного к выходу фотодиода; е - заряд электрона; I₁ - первичный умножаемый темновой ток фотодиода; Δf - полоса пропускания приемного тракта, после этого уменьшают напряжение смещения до тех пор, пока частота f_шМ превышений порога шумовыми выбросами не упадет до предельно допустимого уровня, при этом фиксируют напряжение смещения и начинают уменьшать порог до уровня, при котором частота шумовых превышений порога не достигнет номинального промежуточного значения затем увеличивают порог в раз, где f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня, a f_p - предельно допустимая частота ложных срабатываний в рабочем режиме, после чего фиксируют порог и приступают к приему сигналов. Технический результат изобретения заключается в том, что при максимальном быстродействии обеспечивается близкая к предельно достижимой чувствительность во всех режимах, в том числе при наличии микроплазменных пробоев. 3 з.п. ф-лы, 3 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]. Микроплазменные импульсы тока (микроплазмы) 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 при минимальном времени выхода на рабочий режим.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе приема импульсных оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающем пороговую обработку сигналов с помощью порогового устройства и формирование выходных импульсов, предварительно определяют неумножаемую составляющую квадрата шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают порог I_пор0, приведенный к выходу фотодиода, в пределах где - квадрат неумножаемого шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают напряжение смещения фотодиода на уровне, при котором коэффициент лавинного умножения где α - коэффициент шума фотодиода, - квадрат умножаемой составляющей первичного шумового тока, приведенного к выходу фотодиода; е - заряд электрона; I₁ - первичный умножаемый темновой ток фотодиода; Δf - полоса пропускания приемного тракта, после этого уменьшают напряжение смещения до тех пор, пока частота f_шM превышений порога шумовыми выбросами не упадет до предельно допустимого уровня, при этом фиксируют напряжение смещения и начинают уменьшать порог до уровня, при котором частота шумовых превышений порога не достигнет номинального промежуточного значения f_п >> f_шM, затем увеличивают порог в раз, где f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня, a f_p - предельно допустимая частота ложных срабатываний в рабочем режиме, после чего фиксируют порог и приступают к приему сигналов.

Частоты f_ш, f_п и f_p определяют в соответствующих режимах как отношение количества шумовых выбросов за контрольный интервал времени Т.

Предельно допустимым уровнем частоты микроплазм f_шM можно принять количество микроплазм не более одной за время Т.

Частоту f_п выбирают из условия f₀ >> f_п >> f_р.

На фиг. 1 представлена схема фотоприемного устройства, реализующего данный способ. На фиг. 2а), б) - примеры реализации шума на входе порогового устройства. 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 (ШАРП) 6, включенной между выходом порогового устройства и его управляющим входом. Выход порогового устройства подключен ко входу схемы понижения 7, а выход последней связан со схемой термокомпенсации 5 и пороговым устройством 3. Схема понижения 7 связана также с управляющим входом схемы ШАРП 6. Синхронизация режима осуществляется блоком управления 8, связанным с блоками 6 и 7.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно на стадии проектирования определяют температурную зависимость коэффициента лавинного умножения от напряжения смещения фотодиода. Одновременно определяют температурный ход оптимальной лавины, то есть такого коэффициента лавинного умножения М_опт(Т), при котором отношение сигнал/шум на выходе фотодиода принимает максимальное значение при каждой температуре.

В соответствии с этим на этапе изготовления настраивают схему термокомпенсации 5 так, чтобы во всем диапазоне температур коэффициент лавинного умножения М=М(Т) ~ М_опт(Т). Одновременно схему ШАРП 6 настраивают так, чтобы приведенный к выходу фотодиода порог срабатывания порогового устройства находился в пределах где - квадрат неумножаемого шумового тока на выходе лавинного фотодиода.

В начальный момент времени, задаваемый командой с блока управления 8, открывается вход порогового устройства, и на его выходе возникают импульсы, соответствующие микроплазменным пробоям фотодиода. Эти импульсы поступают на схему понижения, вынуждая ее понижать напряжение смещения фотодиода и, тем самым, снижать коэффициент лавинного умножения и частоту микроплазм, определяемую как количество микроплазм в течение контрольного интервала времени Т (см. фиг. 2). Когда это количество в течение очередного цикла Т снижается до 1 или 0, схема понижения 7 останавливает изменение напряжения смещения и одновременно включает схему ШАРП 6, которая начинает понижать порог срабатывания до появления нормальных шумов, обусловленных фактором I_ш²=I₀²+Iм², где Iм² - квадрат умножаемого шумового тока. При частоте срабатываний порогового устройства уровня f=f_п схема ШАРП фиксирует порог срабатывания на этом уровне, и подготовительный этап заканчивается, после чего устанавливают рабочий порог срабатывания путем увеличения порога в раз и начинают прием оптических сигналов.

Описанный способ обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум при наличии микроплазменных пробоев, которые обычно не учитывают, что приводит к существенным потерям реальной чувствительности приемных устройств.

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

- квадрат неумножаемого шумового тока;

е - заряд электрона;

I₁ - первичный обратный ток фотодиода;

Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства;

М - коэффициент лавинного умножения;

М^α - шум-фактор лавинного умножения;

α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [6].

Квадрат W отношения шум/сигнал

Условие нуля производной

Или

откуда

При оценке вероятности р ложного события (генерации микроплазмы) путем подсчета относительной частоты ложных событий [10, с. 226] как отношения w количества m ложных событий и полного объема k испытаний существует доверительная граница р_в оценки вероятности р при m=1.

где w=1/k;

t - доверительный коэффициент (надежность оценки); например, доверительной вероятности 0,95 соответствует надежность t=1,96 [10].

Из (7) следует необходимый объем испытаний k=K при m=1 для обеспечения заданной вероятности рв с надежностью t

Статистический объем К необходим для каждой ступени ΔU_cм регулирования напряжения смещения.

Длительность T₁ цикла контроля на каждой ступени ΔU_cм

где Δt - длительность такта проверки наличия микроплазмы, соответствующая дискретности измерения задержки принимаемого импульса.

Пример 1

р_в=0,001; t=2. Критерий выхода на рабочий лавинный режим m≤1 (фиг. 2). В соответствии с (8) K≥3⋅10³.

Дискретность Δt обычно находится в пределах 3,33-33,3 нc.

Пример 2

K=10⁴; Δt=10^-8 с.

В соответствии с (9) длительность одного цикла T₁=K Δt=10^-4 с.

Количество Q ступеней регулирования напряжения смещения

где U_cмМ - начальный уровень напряжения смещения;

U_cм0 - конечный уровень напряжения смещения;

ΔU_cм - значимое изменение напряжения смещения, при котором происходит наблюдаемое изменение частоты микроплазм.

Пример 3

U_cмМ - U_cм0=20 В: ΔU_cм=1 В.

Q=20/1=20.

Максимальное время выхода на рабочий режим смещения

Пример 4

В условиях примеров 1-3

Т=20⋅10^-4=2⋅10^-3 с.

Снижение коэффициента лавинного умножения на уровень несколько ниже оптимального не приводит к существенному ухудшению отношения сигнал/шум

Пример 5 (Фиг. 3а).

Германиевый фотодиод. I₁=10^-7 A. I_м²=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=М_опт=3, не более, чем на 2%.

Пример 6 (Фиг. 3б).

Кремниевый фотодиод .I₁=10^-9 A. I_м²=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=М_опт=30, не более, чем на 2%.

Если процесс стабилизации отношения порог/шум происходит при частоте f_п шумовых превышений порога, превышающей частоту f_p таких событий в рабочем режиме, то перед переходом к приему сигналов порог увеличивают в где f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня. Такой процесс стабилизации режима порогового устройства также занимает время порядка 10^-3 с [9].

Таким образом, при максимальном быстродействии 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 М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007, - С. 345.

5 Вишневский А.И., Руденко В.С, Платонов А.П. Силовые ионные и полупроводниковые приборы. Учебное пособие для вузов. Под редакцией В.С. Руденко. Москва, Высшая школа, 1975.

6 Вильнер В.Г., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. Оптико-механическая промышленность, 1981, №9, - С. 59.

7 Шашкина А.С. и др. Лавинный пробой p-n-перехода в задачах радиотехники.-Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2016, том 16, №5, с. 864-871.

8 Вильнер В.Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. - Оптико-механическая промышленность, 1984, №5, с. 39-41.

9 Патент РФ №2718856. Способ автоматической стабилизации частоты пересечения порогового уровня выбросами шумового процесса, 2020 г.

10 Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Москва, Высшая школа, 1977, - 480 С.

1. Способ приема импульсных оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов с помощью порогового устройства и формирование выходных импульсов, отличающийся тем, что предварительно определяют неумножаемую составляющую квадрата шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают порог I_пор0, приведенный к выходу фотодиода, в пределах где - квадрат неумножаемого шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают напряжение смещения фотодиода на уровне, при котором коэффициент лавинного умножения где α - коэффициент шума фотодиода, - квадрат умножаемой составляющей первичного шумового тока, приведенного к выходу фотодиода; е - заряд электрона; I₁ -первичный умножаемый темновой ток фотодиода; Δf- полоса пропускания приемного тракта, после этого уменьшают напряжение смещения до тех пор, пока частота f_шM превышений порога шумовыми выбросами не упадет до предельно допустимого уровня, при этом фиксируют напряжение смещения и начинают уменьшать порог до уровня, при котором частота шумовых превышений порога не достигнет номинального промежуточного значения f_п>> f_шM, затем увеличивают порог в раз, где f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня, a f_p - предельно допустимая частота ложных срабатываний в рабочем режиме, после чего фиксируют порог и приступают к приему сигналов.

2. Способ приема импульсных оптических сигналов по п. 1, отличающийся тем, что частоты f_ш, f_п и f_p определяют в соответствующих режимах как отношение количества шумовых выбросов за контрольный интервал времени Т.

3. Способ приема импульсных оптических сигналов по п. 1, отличающийся тем, что предельно допустимым уровнем частоты микроплазм f_шM принимают количество микроплазм не более одной за время Т.

4. Способ приема импульсных оптических сигналов по п. 1, отличающийся тем, что частоту f_n выбирают из условия f₀ >> f_п >> f_p.

Изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности, к технике приема сигналов с помощью лавинных фотодиодов. Способ приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода включает пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, при этом напряжение смещения фотодиода увеличивают от начального уровня Uсм1 до рабочего уровня UсмМ со скоростью где ΔUсм - ступень регулирования напряжения смещения за один цикл контроля; ΔT=KΔt - длительность цикла контроля наличия микроплазм; - количество тактов контроля в одном цикле; рв - доверительная граница оценки вероятности генерации микроплазмы; t - надежность определения рв; Δt - длительность такта проверки наличия микроплазмы; при этом в процессе регулирования порог срабатывания непрерывно корректируют в режиме шумовой автоматической регулировки порога, поддерживая заданное отношение порог/шум, и проверяют наличие импульсов, превышающих уровень, соответствующий амплитуде микроплазм, при регистрации первого такого импульса в момент tM устанавливают достигнутый к этому моменту коэффициент лавинного умножения М путем фиксации напряжения смещения фотодиода UсмМ(tM), одновременно фиксируют уровень порога, после чего приступают к приему оптических сигналов.

Способ приема оптических импульсов // 2778046

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.

Микропиксельный лавинный фотодиод // 2770147

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.

Лавинный фотодиод и способ его изготовления // 2769749

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.

Способ порогового обнаружения оптических сигналов // 2755602

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

Способ обнаружения оптических сигналов // 2755601

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.

Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты) // 2732695

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.

Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты) // 2732694

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.

Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты) // 2731665

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.

Устройство фотодетектирования и система фотодетектирования // 2686396

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.

Способ приема оптических сигналов // 2778047