ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к полупроводниковой оптоэлектронике, в частности к фотоприемным устройствам и может быть использована в импульсных лазерных дальномерах с широким диапазоном измерения дальности, минимальной дальностью измерения расстояния, а также с высокой стойкостью к мощной обратной засветке и к засветке средствами противодействия системам лазерной дальнометрии.
В числе требований, предъявляемых к фотоприемному устройству (ФПУ), основными являются: высокая чувствительность, высокое быстродействие, широкий динамический диапазон, а также сохранение работоспособности фотоприемного устройства после засветки мощным лазерным излучением.
Известно фотоприемное устройство, содержащее фотодиод и усилитель, входной каскад которого обладает низким уровнем шума, высоким входным сопротивлением и малой входной емкостью, что позволяет реализовать высокую чувствительность [1]. Недостаток этого устройства состоит в отсутствии защиты усилителя от перегрузки, возникающей вследствие засветки фотодиода мощным лазерным излучением.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому фотоприемному устройству является фотоприемное устройство [2], содержащее источник питания, неинвертирующий усилитель, амплитудный детектор, фотодиод, катод которого соединен с входом амплитудного детектора и с входом неинвертирующего усилителя, а анод соединен с источником питания через резистор, и с выходом неинвертирующего усилителя через разделительный конденсатор, при этом выход амплитудного детектора подключен к общей шине, а инвертирующий выход предварительного усилителя подключен к широкополосному и дифференциальному усилителям, выходы которых подключены соответственно к неинвертирующему входу управляющего компаратора и к управляемому компаратору через линию задержки и корректирующее звено, которые совместно формируют компарируемые сигналы.
Недостатком этого фотоприемного устройства является включение амплитудного детектора параллельно сопротивлению нагрузки, что приводит к увеличению емкости входной RC-цепи и ограничению значения сопротивления нагрузки, что препятствует реализации более высокого соотношения сигнал/шум, и соответственно увеличивает пороговое значение уровня мощности доступного для детектирования фотоприемным устройством, который на длине волны излучения λ=1,064 мкм составляет 200 нВт для светового импульса длительностью 10 нс.
Задачей полезной модели является обеспечение высокой чувствительности (не более 100 нВт), малого времени восстановления чувствительности (менее 500 не) после засветки световым излучением в диапазоне мощностей до 50 мВт, а также сохранение работоспособности фотоприемного устройства после воздействия мощным лазерным излучением (не менее 10 Вт).
Поставленная задача решается тем, что в фотоприемном устройстве, содержащем источник питания, неинвертирующий усилитель, амплитудный детектор, фотодиод, катод которого соединен с входом амплитудного детектора и с входом неинвертирующего усилителя, а анод соединен с источником питания через резистор, анод фотодиода дополнительно соединен через разделительный конденсатор с выходом амплитудного детектора, который соединен через дополнительно введенный конденсатор с выходом неинвертирующего усилителя.
На чертеже представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого фотоприемного устройства;
1
1
2
2
Фотоприемное устройство содержит источник питания 1, фотодиод 2, амплитудный детектор 3 и неинвертироующий усилитель 4, при этом анод фотодиода подключен к источнику питания через резистор R и к выходу амплитудного детектора через конденсатор С а катод к резистору R и входу амплитудного детектора. Кроме того выход амплитудного детектора подключен к выходу неинвертирующего усилителя через дополнительно введенный конденсатор С.
ФПУ работает следующим образом:
2
2
2
1
2
При детектировании полезного сигнала малой мощности фотогенерированный ток создает импульс напряжения на нагрузке, состоящей из включенных параллельно сопротивления резистора R, входного импеданса усилителя, а также паразитных емкостей, в том числе емкости резистора R. Причем, сопротивление резистора R выбиралось из соображений максимизации соотношения сигнал/шум на выходе неинвертирующего усилителя. Вследствие того, что неинвертирующий усилитель 4, обладает коэффициентом передачи, близким к единице, а также малым выходным сопротивлением, на аноде фотодиода 2 и выходе амплитудного детектора 3 соединенных между собой через конденсатор C и подключенных через конденсатор С к выходу усилителя, формируется импульс напряжения, совпадающий по амплитуде и полярности с импульсом напряжения, действующим на катоде фотодиода и входе амплитудного детектора. Таким образом, включенные на высокой частоте параллельно емкости фотодиода и амплитудного детектора не перезаряжаются, что не приводит к дополнительному интегрированию сигнала на входе.
1
При увеличении мощности детектируемого светового импульса на входе усилителя формируется амплитуда сигнала, при которой входной транзистор входит в режим отсечки и на выходе усилителя наступает ограничение амплитуды сигнала. При этом максимальная амплитуда сигнала формируемого на входе усилителя будет превышать амплитуду сигнала на выходе усилителя на величину равную пороговой амплитуде напряжения амплитудного детектора, который на высокой частоте шунтирует сопротивление резистора R. В результате, при мощной засветке фотоприемного устройства фотогенерированный ток протекает через малое сопротивление амплитудного детектора, что предотвращает расширение электрического импульса на выходе усилителя.
8
2
Стойкость фотоприемного устройства к засветке мощным импульсом лазерного излучения определяется стойкостью применяемого германиевого лавинного фотодиода, которая составляет 10 Вт/см [3], что гарантирует работоспособность ФПУ после засветки фотодиода световым импульсом мощностью менее 100 Вт.
Испытания показали, что на длине волны излучения λ=1,064 мкм при длительности светового импульса 10 нс чувствительность фотоприемного устройства составляет 100 нВт, а при засветке импульсом мощностью 50 мВт расширение электрического импульса на выходе неинвертирующего усилителя не превышает 500 не.
Помимо этого дополнительно были проведены испытания, показавшие сохранение работоспособности фотоприемного устройства после засветки фотодиода световым импульсом мощностью 100 Вт.
Источники информации:
1. Шевцов Э.А. Белкин М.Е. Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи. М.: Радио и связь, 1992. стр. 161 рис. 5.72.
2. Патент РФ №2083958 - прототип
3. Короннов А.А., Сафутин А.Е., Землянов М.М., Зверев Г.М. Повышение стойкости фотоприемных устройств на базе германиевого лавинного фотодиода к воздействию мощного лазерного излучения. // Прикладная физика. 2015. №6. С. 65-79