Способ приема импульсных оптических сигналов
METHOD FOR RECEIVING PULSED OPTICAL SIGNALS

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.
пор0
1
шM
п
шM
0
p
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, 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; I - первичный умножаемый темновой ток фотодиода; Δf - полоса пропускания приемного тракта, после этого уменьшают напряжение смещения до тех пор, пока частота f 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 >> f, затем увеличивают порог в  раз, где f - частота пересечения шумом нулевого уровня, a f - предельно допустимая частота ложных срабатываний в рабочем режиме, после чего фиксируют порог и приступают к приему сигналов.
ш
п
p
Частоты f, f и f определяют в соответствующих режимах как отношение количества шумовых выбросов за контрольный интервал времени Т.
шM
Предельно допустимым уровнем частоты микроплазм f можно принять количество микроплазм не более одной за время Т.
п
0
п
р
Частоту f выбирают из условия f >> f >> f.
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.
опт
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(Т), при котором отношение сигнал/шум на выходе фотодиода принимает максимальное значение при каждой температуре.
опт
В соответствии с этим на этапе изготовления настраивают схему термокомпенсации 5 так, чтобы во всем диапазоне температур коэффициент лавинного умножения М=М(Т) ~ М(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.
ш
0
п
2
2
2
2
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=I+Iм, где Iм - квадрат умножаемого шумового тока. При частоте срабатываний порогового устройства уровня f=f 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;
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
откуда
в
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 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
cм
Статистический объем К необходим для каждой ступени ΔU регулирования напряжения смещения.
1
cм
Длительность T цикла контроля на каждой ступени ΔU
где Δt - длительность такта проверки наличия микроплазмы, соответствующая дискретности измерения задержки принимаемого импульса.
Пример 1
в
3
р=0,001; t=2. Критерий выхода на рабочий лавинный режим m≤1 (фиг. 2). В соответствии с (8) K≥3⋅10.
Дискретность Δt обычно находится в пределах 3,33-33,3 нc.
Пример 2
4
-8
K=10; Δt=10 с.
1
-4
В соответствии с (9) длительность одного цикла T=K Δt=10 с.
Количество Q ступеней регулирования напряжения смещения
cмМ
где U - начальный уровень напряжения смещения;
cм0
U - конечный уровень напряжения смещения;
cм
ΔU - значимое изменение напряжения смещения, при котором происходит наблюдаемое изменение частоты микроплазм.
Пример 3
cмМ
cм0
cм
U - U=20 В: ΔU=1 В.
Q=20/1=20.
Максимальное время выхода на рабочий режим смещения
Пример 4
В условиях примеров 1-3
-4
-3
Т=20⋅10=2⋅10 с.
Снижение коэффициента лавинного умножения на уровень несколько ниже оптимального не приводит к существенному ухудшению отношения сигнал/шум
Пример 5 (Фиг. 3а).
1
м
опт
-7
2
-19
2
Германиевый фотодиод. I=10 A. I=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 6 (Фиг. 3б).
1
м
опт
-9
2
-21
2
Кремниевый фотодиод .I=10 A. I=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%.
п
p
0
-3
Если процесс стабилизации отношения порог/шум происходит при частоте f шумовых превышений порога, превышающей частоту f таких событий в рабочем режиме, то перед переходом к приему сигналов порог увеличивают в  где f - частота пересечения шумом нулевого уровня. Такой процесс стабилизации режима порогового устройства также занимает время порядка 10 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.