Способ приема оптических сигналов
METHOD FOR RECEIVING 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 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 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.
см1
см
см
см
в
в
M
смМ
M
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 фотодиода увеличивают от начального уровня U до рабочего уровня ϕ со скоростью S=ΔU/ΔТ, где ΔU - ступень регулирования напряжения смещения за один цикл контроля; ΔT=KΔt - длительность цикла контроля наличия микроплазм;  - количество тактов контроля в одном цикле; р - доверительная граница оценки вероятности генерации микроплазмы; t - надежность определения р; Δt - длительность такта проверки наличия микроплазмы; при этом в процессе регулирования порог срабатывания непрерывно корректируют в режиме шумовой автоматической регулировки порога, поддерживая заданное отношение порог/шум, и проверяют наличие импульсов, превышающих уровень, соответствующий амплитуде микроплазм, при регистрации первого такого импульса в момент t устанавливают достигнутый к этому моменту коэффициент лавинного умножения М путем фиксации напряжения смещения фотодиода U(t), одновременно фиксируют уровень порога, после чего приступают к приему оптических сигналов.
0
п
p
Перед началом приема сигналов порог может быть увеличен в  раз, где f - частота пересечения шумом нулевого уровня; f - установившаяся частота шумовых превышений порога в подготовительном режиме; f - заданная частота ложных тревог в рабочем режиме.
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 отношения сигнал/шум ηМ) для германиевого (фиг. 3а) и кремниевого (фиг. 3б) лавинных фотодиодов.
Реализующее способ фотоприемное устройство содержит последовательно включенные лавинный фотодиод 1, усилитель 2 и пороговое устройство 3. Напряжение смещения подается на фотодиод 1 от последовательно соединенных источника питания 4 и схемы повышения 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 повышения смещения 5 управляется вторым пороговым устройством 7, подключенным к выходу усилителя 2. Синхронизация режима осуществляется блоком управления 8, связанным с блоками 6 и 7.
Способ осуществляется следующим образом.
см
По команде от блока управления 8 включаются схема повышения смещения 5 и схема ШАРП 6. Схема повышения смещения обеспечивает постепенное повышение напряжения смещения со скоростью S В/с. Порог срабатывания порогового устройства отрабатывает увеличение среднеквадратического значения нормального шума  где
у
K - коэффициент передачи тракта от фотодиода до входа порогового устройства;
- 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].
Быстродействие (постоянная времени) схемы ШАРП должно обеспечивать постоянное отношение порог/шум при заданной скорости изменения
м
2
По мере роста напряжения смещения фотодиода увеличивается не только нормальная составляющая умножаемого шума I, но и вероятность возникновения микроплазменных пробоев [7]. После регистрации первой микроплазмы с помощью второго порогового устройства 7 сигналом с выхода этого устройства останавливают повышение напряжения смещения, осуществляемое схемой повышения смещения 5, и процесс стабилизации порога, осуществляемый схемой ШАРП 6.
Требуемую скорость нарастания напряжения смещения определяют следующим образом.
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, с. 226].
в
Из (3) следует необходимый объем испытаний k=K при m=1 для обеспечения заданной вероятности р с надежностью t.
Пример 1
р=0,0001; t=2.
4
В соответствии с (4) K=3 ⋅ 10.
см
Статистический объем K необходим для каждой ступени ΔU регулирования напряжения смещения.
1
см
Длительность T цикла контроля на каждой ступени ΔU
где Δt - длительность такта проверки наличия микроплазмы, соответствующая дискретности измерения задержки принимаемого импульса.
Пример 2
4
-8
K=10; Δt=10 с.
1
4
-8
-4
T=10⋅10=10 c.
Количество Q ступеней регулирования напряжения смещения
cм1
где U - начальный уровень напряжения смещения;
cмM
U - максимальный конечный уровень напряжения смещения.
Пример 3
cм0
cмМ
см
U-U=20B: ΔU=1 В.
Q=20/1=20.
Максимальное время выхода на рабочий режим смещения
Пример 4
В условиях примеров 2-3
-4
-3
Т=20⋅10=2⋅10 с.
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  раз [9], где f - частота пересечения шумом нулевого уровня. Такой процесс стабилизации режима порогового устройства также занимает время не более 10 с [9].
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает время выхода на режим порядка Т=1 мс и работу с максимальной частотой повторения 1/Т=1 кГц. Существующие технические решения [8] обеспечивают выход на режим за 1-6 с. Выигрыш предлагаемого способа по быстродействию составляет 1000-6000 раз.
опт
опт
Микроплазмы могут возникать при коэффициенте лавинного умножения М, меньшем оптимального М [6]. На фиг 2а) показана реализация шума при М=М, а на фиг. 2б) - при  удовлетворяющем требованиям по частоте микроплазм. При этом отношение сигнал/шум практически не ухудшается.
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=3,5. Рабочую точку фотодиода поддерживают при М=2,5…3,5. При этом максимальное отношение сигнал/шум, обеспечиваемое способом, 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 коэффициенте М=25, соответствующем появлению отдельных микроплазм. При этом максимальное отношение сигнал/шум, обеспечиваемое способом, отличается от максимального значения, обеспечиваемого при М=М = 30, не более, чем на 2%.
1
см
Следует отметить, что дискретность Δt в операциях способа непосредственно не участвует, а определяет лишь длительность Т Благодаря этому способ отличается простотой реализации - плавным увеличением U и ожиданием первой микроплазмы, по которой подготовительный режим переключается на рабочий.
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.
5. Вишневский А.И., Руденко В.С., Платонов А.П. Силовые ионные и полупроводниковые приборы. Учебное пособие для вузов. Под редакцией B.C. 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.