Результат интеллектуальной деятельности: Способ порогового приема оптических сигналов

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 приложениях.

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 при пороговой обработке смеси сигнала и шума [3].

Недостатком этого способа является зависимость лавинного режима от выставленного порога срабатывания. Это приводит к неправильному выбору рабочей точки фотодиода и ухудшению пороговой чувствительности [4]. Кроме того, в широком диапазоне условий эксплуатации коэффициент лавинного умножения может оказаться слишком высоким, что приводит к снижению помехоустойчивости и стойкости к перегрузкам.

Задачей изобретения является обеспечение наилучшей пороговой чувствительности во всех условиях эксплуатации.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе порогового приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающем прием, усиление и формирование выходных импульсов при превышении сигналом заданного порога срабатывания, предварительную установку коэффициента лавинного умножения М фотодиода производят в наиболее критичных условиях температуры t°_кр и мощности фоновой засветки Р_фкр, при этом на выходе фотодиода определяют среднеквадратическое значение выходного шума σ₁ в безлавинном режиме, а затем увеличивают коэффициент лавинного умножения до величины М = М_кр, при котором среднеквадратическое значение выходного шума увеличивается до величины σ_M = (1,7…1,8) σ₁, запоминают значение М_кр, после чего в реальных условиях эксплуатации устанавливают коэффициент лавинного умножения , где - заранее заданный параметр, зависящий от окружающей температуры и яркости фона, и устанавливают порог срабатывания на уровне, при котором частота f ложных срабатываний от шумовых выбросов удовлетворяет условию f₁ < f < f₂, где f₁ и f₂ - соответственно нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а после стабилизации частоты f в указанных пределах включают рабочий режим приема оптических сигналов.

Параметр может быть постоянным во всем диапазоне условий эксплуатации.

Параметр может изменяться в зависимости от условий эксплуатации в виде где I₀²=4kTΔf/R - квадрат неумножаемого шумового тока; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная окружающая температура; Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства; R - сопротивление нагрузки фотодиода; I_M²=2eI₁Δf - квадрат умножаемого шумового тока; е - заряд электрона; I₁ = I_т + I_ф - первичный обратный ток фотодиода, включающий темновой ток I_т и фототок фона I_ф; α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода.

На фиг. 1 представлены примеры зависимостей M(t°). На фиг. 2 показаны графики относительных зависимостей отношения сигнал/шум η для германиевого Ge (фиг. 2а) и кремниевого Si (фиг. 2б) лавинных фотодиодов при критической температуре 50°С, а также при отсутствии фона i_ф=0 и уровне фототока фона I_ф=I_т.

Способ осуществляется следующим образом.

В процессе настройки систему помещают в наиболее критичные условия, например, при максимальной температуре t°_макс и при воздействии максимального фонового излучения Р_ф. Напряжение смещения фотодиода уменьшают до минимума, при котором коэффициент лавинного умножения М = 1. Непосредственно на выходе фотодиода или после линейного усиления измеряют среднеквадратическое значение шума σ₁. После этого увеличивают напряжение смещения фотодиода, соответственно увеличивая коэффициент лавинного умножения до тех пор, пока среднеквадратическое значение шума в той же точке не увеличится до уровня σ_М = 1,73 сл. Достигнутый уровень напряжения смещения, соответствующий этому значению коэффициента лавинного умножения М_кр, сохраняют в настройках системы.

В рабочем режиме при работе в реальных условиях окружающей температуры и яркости фона воспроизводят величину М_кр с поправкой В условиях применения, где требуется постоянство характеристик приемной системы, устанавливают (фиг. 1 - режим постоянной чувствительности). Такой режим бывает необходим в системах передачи данных с высокими требованиями к точности привязки сигналов по времени. В этом случае требуется соблюдать постоянство усиления при обработке сигналов.

При обнаружении слабых оптических сигналов, когда требуется максимальная чувствительность во всех эксплуатационных условиях, поддерживают оптимальный коэффициент лавинного умножения (фиг. 1 - режим наилучшей чувствительности).

После установки лавинного режима устанавливают пороговый уровень так, чтобы частота шумовых превышений этого уровня находилась в заданных пределах. По истечении подготовительного периода приступают к приему сигналов в рабочем режиме.

Оптимальное значение коэффициента лавинного умножения М можно определить следующим образом. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока

I₀² - квадрат неумножаемого шумового тока

е - заряд электрона;

I₁ = I_T + I_ф - первичный обратный ток фотодиода;

I_T - темновой ток;

I_ф - фототок фона;

Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства;

М - коэффициент лавинного умножения;

М^α - шум-фактор лавинного умножения;

α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [4].

Квадрат W отношения шум/сигнал, приведенного к величине М,

J_M²=2eI₁Δf.

Условие нуля производной

Или

Формула (6) означает, что во всех условиях эксплуатации, влияющих на параметры I₀² и J_M² существует соответствующее им значение М_опт, реализуемое данным способом.

Пример 1 (Фиг. 2а).

Германиевый фотодиод. I₁=10^-7 A. J_M²=3,2⋅10^-19 А². α = 1. Оптимальный коэффициент лавинного умножения М = М_опт = 3. Отношение сигнал/шум ц отличается от максимального не более чем на 2% при поддержании коэффициента лавинного умножения в пределах 2,5<М<3,5,

Пример 2 (Фиг. 2б).

Кремниевый фотодиод. I₁=10^-9 A. J_M²=3,2⋅10^-21 А². α = 0,5. Рабочую точку фотодиода поддерживают при М = 25…40. При этом максимальное отношение сигнал/шум, отличается от максимального значения, обеспечиваемого при М = М_опт = 30, не более чем на 2%. На фиг. 2б) пунктиром показана зависимость η(М) при I_T = I_ф. Видно, что при этом М_опт снижается до уровня М_опт = 20.

Необходимая точность поддержания коэффициента лавинного умножения в окрестности М_опт определяется допустимым ухудшением отношения шум/сигнал следующим из расчетов по формулам (3), (6), относительные результаты которых приведены в таблицах 1-3 для разных значений α и I₀².

Из приведенных данных видно, что при постоянном коэффициенте α ухудшение отношения сигнал/шум η = М/σ зависит только от неточности выставления М_опт. и не зависит от соотношения умножаемой и неумножаемой компонент шума. Это упрощает как заводскую регулировку системы, так и осуществление способа в широком диапазоне условий эксплуатации. Из фиг. 2 видно также, что правая часть зависимости W(M) имеет более пологий характер, что позволяет вдвое увеличить допуск на положительное отклонение М при тех же требованиях к стабильности W.

Применение формул (1) и (6) с учетом результатов таблиц 1-3 позволяет установить значения λ = σ_M/σ₁, необходимые для установки оптимального коэффициента лавинного умножения. Эти результаты приведены в таблице 4.

Подстановка в выражение (7) оптимального значения М_опт (6) с учетом неравенства I₀² >> J_M² дает значение

которое выполняется во всех реальных условиях (см. табл. 4).

Принципиальное постоянство λ, независимо от типа фотодиода и соотношения неумножаемой и умножаемой составляющих шума обеспечивает методическую состоятельность способа и надежность его реализации.

Таким образом, способ обеспечивает решение поставленной задачи - достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации.

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. 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.

5. Вильнер В. Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. - Оптико-механическая промышленность, 1984, №5, с. 39-41.