Способ приема оптических импульсов
METHOD FOR RECEIVING OPTICAL PULSES

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.
0
0
0
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=Т, 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=Т, при этом коэффициент лавинного умножения М в температурной точке Т=Т должен быть как можно ближе к оптимальному значению  где Q - постоянный коэффициент, не зависящий от температуры и устанавливаемый при регулировке.
0
0
min
min
0
min
Температурная точка Т может быть выбрана равной минимальной рабочей температуре Т=T, при этом температурный ход оптимального коэффициента лавинного умножения  где Q - постоянный коэффициент, устанавливаемый при регулировке лавинного режима в температурной точке Т=T с учетом допустимой частоты микроплазм.
0
0
max
max
Температурная точка Т может быть выбрана равной максимальной рабочей температуре Т=T, при этом температурный ход коэффициента лавинного умножения уменьшают относительно значения, установленного в точке Т=T.
0
max
опт
max
При регулировке лавинного режима в точке Т=T температурный ход коэффициента лавинного умножения М(Т) может быть установлен равным М(Т)=М(T) во всем рабочем температурном диапазоне.
опт
опт
опт
см
опт
опт
опт
max
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 М, график 7, для аппроксимации М путем построения практической зависимости напряжения смещения U(T) от температуры, график 8, и для U=0,98U(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=М(Т) - график 12 и для М=М(T) - график 13.
min
опт
На фиг. 5 показаны графики отрицательной поправки к линейной зависимости напряжения смещения от температуры относительно температурной зависимости напряжения пробоя для М(Т)=M(T) (график 14) и для М(Т)=М(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.
0
min
Предварительно на этапе проектирования определяют наиболее критичную температуру. Обычно это минимальная температура заданного температурного диапазона Т=T, 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.
опт
0
max
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 М, то есть при температуре Т=T.
0
опт
0
0
опт
0
В процессе производства в точке Т выставляют наиболее близкое к оптимальному значение М(Т) с учетом допустимой частоты микроплазм. Установив это субоптимальное значение коэффициента лавинного умножения, настраивают температурный ход М(Т), совпадающий в точке Т с выставленным значением М(Т).
Оптимальное значение коэффициента лавинного умножения М можно определить следующим образом. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока
0
2
I - квадрат неумножаемого шумового тока
е - заряд электрона;
1
I - первичный (неумноженный) обратный ток фотодиода;
Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства;
М - коэффициент лавинного умножения;
α
М - шум-фактор лавинного умножения;
α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [6].
Квадрат W отношения шум/сигнал
м
1
2
J=2eIΔƒ.
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
1
1
1
[I(T)-I(T-10)]/I(T)~2.
+
+
Так, для кремниевых лавинных npip фотодиодов (фиг. 2) [9, с. 251].
1
min
где Т*=T-T;
min
min
I - первичный темновой ток при температуре T.
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;
min
I - минимальный первичный темновой ток;
β - температурный коэффициент темнового тока.
Пример 1
min
-14
I(T=-50°)=6⋅10 А; β=0,085 1/град; α=0,5.
опт
Зависимость М(Т) для этих данных приведена в таблице 1 и на фиг. 3 - кривая 7.
опт
см
Для реализации М(Т) необходимо создать соответствующий температурный ход напряжения смещения фотодиода U(T), например, с помощью известной формулы Миллера [10, с. 151].
пр
где U - напряжение лавинного пробоя;
ξ - коэффициент характеризуемый типом фотодиода; для кремниевых фотодиодов ξ=3,4…4 [10].
Из (9) следует.
пр
Напряжение пробоя U 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.
min
max
Пример 2 T=-50°С; T=+50°С; ξ=4; ζ=1,85 В/град;
пр
min
min
-14
6
U(T=-50°С)=150 В; I(T=-50°)=6⋅10 A; R=10 Ом.
При этих данных Q=31,9. Результаты расчета приведены в таблице 2 и на фиг. 3.
опт
min
опт
опт
min
Согласно (8) М(Т)=175,4; температурная зависимость М(Т), проходящая через точку М(Т), представлена на фиг. 3 (кривая 7).
пр
см
опт
-0,01T*
-0,05(100-T*)
Линейная температурная зависимость напряжения пробоя U(T) показана на фиг. 4 (кривая 11). Кривая 12 - вид U(М) 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)(1-е). 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.
пр
пр
см
Температурная компенсация режима М(Т)=Const носит линейный характер, соответственно температурному ходу U(T) - кривая 13 фиг. 4. Расчетные значения поправки (U-U) для рассмотренных случаев приведены в таблице 3.
опт
min
Область высоких значений М 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 T.
Пример 3
см
см
кор
U(T)=0,98U(Т).
min
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 T 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.
см
В процессе работы устанавливают напряжение смещения фотодиода в соответствии с окружающей температурой, реализуя установленный ход U(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.