Способ стабилизации режима лавинного фотодиода
Владельцы патента RU 2778976:
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, и может быть использовано в локации, связи и других фотоэлектронных системах. Сущность: 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. Напряжение смещения Uсм фотодиода предварительно устанавливают на таком уровне Uсм=Uсм1, при котором минимальная длительность микроплазменных импульсов tmin превышает допустимый максимальный период следования импульсов Тmах. Затем напряжение смещения снижают до уровня Uсм=Uсмопт, при котором отношение сигнал/шум η=Мопт/σш максимально, где М - коэффициент лавинного умножения, σш - среднеквадратическое значение шума. Приступают к приему сигналов, причем время Тпер переключения с уровня Uсм1 на уровень Uсмопт соответствует условию Тпер ≤ tmin - tpaб, где tmin - минимальная длительность микроплазменного импульса при напряжении смещения Uсмопт, tpaб - длительность рабочего периода приема сигналов. Оптимальный коэффициент лавинного умножения может быть установлен в соответствии с зависимостью где - квадрат неумножаемого шумового тока;
- квадрат шумового тока предусилителя;
е - заряд электрона; Iш0 - постоянная составляющая суммарного тока микроплазм; Δf - полоса пропускания приемного тракта;
- квадрат умножаемого шумового тока; I1=Iт - первичный (не умноженный) темновой ток фотодиода; α - постоянный коэффициент, определяемый материалом и структурой фотодиода. Порог срабатывания может быть установлен с помощью шумовой автоматической регулировки. Технический результат: обеспечение достижения предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазменных пробоев и нормального шума при минимальном времени выхода на оптимальный лавинный режим. 1 з.п. ф-лы, 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 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 стабилизации режима лавинного фотодиода, напряжение смещения которого поддерживают путем стабилизации частоты шумовых импульсов, возникающих в фотодиоде в процессе лавинного умножения [3].
Недостатком этого способа является возможность введения фотодиода в режим микроплазменного пробоя [4]. Микроплазменные импульсы тока имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения обратного напряжения. Увеличение тока накачки 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 непредсказуемо [7]. 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 достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазм и нормального шума при минимальном времени выхода на оптимальный лавинный режим.
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе приема оптических сигналов 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, напряжение смещения Uсм фотодиода предварительно устанавливают на таком уровне Uсм=Uсм1, при котором минимальная длительность микроплазменных импульсов tmin превышает допустимый максимальный период следования импульсов Тmах, а затем напряжение смещения снижают до уровня Uсм=Uсмопт, при котором отношение сигнал/шум η=Мопт/σш максимально, где М - коэффициент лавинного умножения, σш - среднеквадратическое значение шума, и приступают к приему сигналов, причем, время Тпер переключения с уровня Uсм1 на уровень Uсмопт соответствует условию Тпер≤tmin - tpaб, где tmin - минимальная длительность микроплазменного импульса при напряжении смещения Uсмопт, tpaб - длительность рабочего периода приема сигналов.
Оптимальный коэффициент лавинного умножения Мопт может быть установлен в соответствии с зависимостью 
где 
- квадрат неумножаемого шумового тока; 
- квадрат шумового тока предусилителя; 
е - заряд электрона; Im0 - постоянная составляющая суммарного тока микроплазм; Δf - полоса пропускания приемного тракта; Jm2=2eI1Δf - квадрат умножаемого шумового тока; I1=Iт - первичный (не умноженный) темновой ток фотодиода; α - постоянный коэффициент, определяемый материалом и структурой фотодиода.
Начальное напряжение смещения Uсм1 устанавливают заведомо выше области генерации микроплазм, которую определяют предварительно на этапе проектирования.
Порог срабатывания может быть установлен с помощью шумовой автоматической регулировки.
На фиг.1 представлена схема фотоприемного устройства, реализующего данный способ. На фиг.2 - примеры реализации шума на выходе приемного тракта в разных фазах процедуры регулирования напряжения смещения фотодиода:
а) до появления микроплазм;
б) в режиме импульсных микроплазменных пробоев;
в) при непрерывном микроплазменном пробое;
г) в рабочем режиме.
Реализующее способ фотоприемное устройство (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 смещения 5. Пороговое устройство 3 охвачено цепью обратной связи в виде схемы шумовой автоматической регулировки порога (ШАРП) 6, включенной между выходом порогового устройства и его управляющим входом. Схема смещения управляется переключателем лавинного режима 7. Синхронизация режима осуществляется блоком управления 8, связанным с блоками 6 и 7. На фиг.2 представлены реализации выходного шума в режимах а) - г), а также нижний амплитудный уровень микроплазм 9 и уровень рабочего порога 10, реализуемого пороговым устройством 3.
Способ осуществляется следующим образом.
По команде от блока управления 8 включаются схема смещения 5 и схема ШАРП 6. Схема смещения повышает напряжение смещения фотодиода, обеспечивая увеличение коэффициента лавинного умножения до предварительного уровня. Порог срабатывания порогового устройства 3 с помощью схемы ШАРП [8] поддерживает частоту шумовых превышений порога на заданном уровне, отрабатывая увеличение среднеквадратического значения нормального шума Ку Iш2, где
Ку - коэффициент передачи тракта от фотодиода до входа порогового устройства;
- квадрат шумового тока на выходе лавинного фотодиода; (1)
I0*2 - квадрат неумножаемого шумового тока;
квадрат умножаемого шумового (дробового) тока, (2)
е - заряд электрона;
I1 - первичный обратный ток фотодиода;
Δf - полоса пропускания приемного тракта;
М - коэффициент лавинного умножения;
Мα - шум-фактор лавинного умножения;
α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [6].
Постоянная времени схемы ШАРП должна обеспечивать постоянное отношение порог/шум при заданной скорости изменения 1 ш2 [8, 9].
Неумножаемый шум
не зависит от напряжения смещения и включает
тепловой шум нагрузки [6]
где К - коэффициент шума, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, R - сопротивление нагрузки,
и дробовой шум микроплазм
где Imo - постоянный ток микроплазменного пробоя.
По мере роста напряжения смещения фотодиода увеличивается не только нормальная составляющая (2) умножаемого шума IM2, но и вероятность возникновения микроплазменных пробоев [7] (фиг.2б). Напряжение смещения увеличивают до уровня Uсм=Uсм1, при котором микроплазменный пробой становится постоянным (фиг.2в, после чего сигналом с выхода переключателя лавинного режима 7 постепенно опускают напряжение смещения на оптимальный рабочий уровень Uсм=Uсмопт (фиг.2 г), при котором отношение сигнал/шум η=Мопт/σш максимально, где М - коэффициент лавинного умножения, σш - среднеквадратическое значение шума.
Время переключения напряжения смещения на рабочий уровень должно быть менее времени выключения микроплазм, составляющего период от долей миллисекунды до нескольких минут [4, 11], и более времени реакции (быстродействия) аппаратуры.
Эффективность способа можно оценить следующим образом.
С учетом (1), (2) квадрат отношения шум/сигнал может быть записан в виде
где 
Производная (5) по М
Условие нуля производной
Или
откуда 
Пример
Темновой ток фотодиода I1=10-9А; постоянный ток микроплазм Im0=10-7 А [4]; температура Т=300 К; коэффициент шума К=2; полоса пропускания Δf=107 Гц; сопротивление нагрузки R=104 Ом; коэффициент α=0,5 [6].
При этих исходных данных
Квадрат отношения шум/сигнал
В отсутствие микроплазменного шума, то есть, при Im0=0
и
Проигрыш в отношении сигнал/шум из-за влияния квазинепрерывного микроплазменного пробоя в предлагаемом режиме равен 
то есть влияние шума микроплазм практически устраняется.
Описанная процедура позволяет заблокировать взрывной характер микроплазменного процесса и, тем самым, устранить влияние микроплазм и обеспечить достоверный прием сигналов при оптимальном уровне лавинного умножения.
Следует отметить, что подготовительный и рабочий режимы способа функционально независимы. Благодаря этому способ отличается простотой реализации и предельным быстродействием.
Таким образом, обеспечивается задача изобретения - достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазменных пробоев и нормального шума при минимальном времени выхода на оптимальный лавинный режим.
Источники информации
1 Росс М. Лазерные приемники. - «Мир», М., 1969 г.
2 Патент РФ №2 248670. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения. 2005 г.
3 US pat. 4,077,718. Receiver for optical radar. 1978. - прототип.
4 Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков M.A. 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.
11 Мусаев A.M. Механизм выключения микроплазм при лавинном пробое p-n-структур кремния. - Физика и техника полупроводников, 2016, том 50, вып.10, с. 1370-1373.
1. Способ стабилизации режима 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 напряжение смещения Uсм фотодиода предварительно устанавливают на таком уровне Uсм=Uсм1, при котором минимальная длительность микроплазменных импульсов tmin превышает допустимый максимальный период следования импульсов Tmax, а затем напряжение смещения снижают до уровня Uсм=Uсмопт, при котором отношение сигнал/шум η=Mопт/σш максимально, где 
где 
- квадрат неумножаемого шумового тока; I02 - квадрат шумового тока предусилителя; Im2=2eIm0Δf; е - заряд электрона; Im0 - постоянная составляющая суммарного тока микроплазм; Δf - полоса пропускания приемного тракта; JM2=2eIlΔf - квадрат умножаемого шумового тока; Il=Iт – первичный не умноженный темновой ток фотодиода; α - постоянный коэффициент, определяемый материалом и структурой фотодиода, σш - среднеквадратическое значение шума, и приступают к приему сигналов, причем время Tпер переключения с уровня Uсм1 на уровень Uсмопт соответствует условию Tпер≤tmin-tраб, где tmin - минимальная длительность микроплазменного импульса при напряжении смещения Uсмопт, tраб - длительность рабочего периода приема сигналов.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что порог срабатывания устанавливают с помощью шумовой автоматической регулировки.
