Способ выделения оптических импульсов
METHOD FOR ISOLATING OPTICAL PULSES

Предлагаемое изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности, к технике приема сигналов с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в системах 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 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.
опт
1
1
2
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе выделения оптических импульсов с помощью лавинного фотодиода и порогового устройства, включающем пороговую обработку принятых фотодиодом сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют значения умножаемого и неумножаемого темнового тока фотодиода, шум-фактор лавинного умножения и зависимость частоты микроплазм от коэффициента лавинного умножения М, после чего коэффициент лавинного умножения фотодиода устанавливают так, чтобы величина М была как можно более близка к оптимальному значению М, а частота микроплазм не превышала предельно допустимого значения во всех условиях окружающей среды, при этом порог срабатывания порогового устройства регулируют так, чтобы частота f превышений порогового уровня выбросами шумового процесса находилась в пределах  причем,  где  - квадрат неумножаемого шумового тока фотодиода, приведенного к его выходу;  квадрат умножаемого шумового тока; е - заряд электрона; I - первичный обратный ток фотодиода; Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства; М - коэффициент лавинного умножения; α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода; f и f - нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а величину f=N/T определяют путем подсчета количества N стандартных выходных импульсов за предварительно заданное время Т.
На фиг. 1 представлена схема фотоприемного устройства, реализующего данный способ. На фиг. 2а), б) - примеры реализации шума на входе порогового устройства при разной величине М. 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 6, включенной между выходом порогового устройства и его управляющим входом. Схема термокомпенсации связана с блоком установки лавинного режима 7. Синхронизация режима осуществляется блоком управления 8, связанным с блоками 6 и 7.
Способ осуществляется следующим образом.
0
1
см
Предварительно определяют ход параметров I, I, α выбранных лавинных фотодиодов в зависимости от температуры и величины коэффициента лавинного умножения М, в свою очередь определяемого напряжением смещения фотодиода U. Одновременно выявляют зависимость частоты микроплазм от температуры и коэффициента лавинного умножения [7]. Этот подготовительный цикл осуществляют однократно на этапе проектирования.
м
опт
При изготовлении и отладке фотоприемного устройства с учетом ранее определенных зависимостей настраивают схему термокомпенсации так, чтобы во всех условиях эксплуатации коэффициент лавинного умножения был как можно ближе к своему оптимальному значению и чтобы частота микроплазм при этом не превышала допустимого количества N за время приема Т. Характер шумов, включающий нормальную составляющую шума 8 и поток микроплазм 9, приведен на фиг. 2 - при М=М (фиг. 2а) и при коэффициенте  соответствующем максимально допустимой частоте микроплазм (фиг. 2б).
После выхода фотодиода на номинальный лавинный режим непосредственно перед приемом сигналов включают шумовую автоматическую регулировку, осуществляемую схемой 6, например, по методике, изложенной в [8]. После выхода шумовой регулировки порога на рабочий режим, включают режим приема сигналов.
Описанный способ обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум при наличии микроплазменных пробоев, которые обычно не учитывают, что приводит к ухудшению 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;
1
I - первичный 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
Условие нуля производной
Или
Пример 1 (Фиг. 3а).
1
опт
-7
2
-19
2
Германиевый фотодиод. I=10 A. Jм=3,2⋅10 А. 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=3, не более, чем на 2%.
Пример 2 (Фиг. 3б).
1
опт
-9
2
-21
2
Кремниевый фотодиод. I=10 A. Jм=3,2⋅10 А. 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=30, не более, чем на 2%.
опт
опт
Оптимальный коэффициент лавинного умножения М можно устанавливать предварительно путем подачи на фотодиод пробного сигнала, изменения напряжения смещения фотодиода и одновременного измерения отношения η амплитуды выходного сигнала А к среднеквадратическому значению шума σ, причем оптимальным устанавливают такое значение М, при котором отношение  максимально, а в процессе приема сигналов фиксируют напряжение смещения фотодиода на уровне, соответствующем установленной величине М.
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 №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 М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007, - С. 345.
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.