DE4025770A1 - Unterdrueckung der nichtlinearitaet einer avalanche-photodiode - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Schaltungen zur Fehlerkorrektur, und insbesondere eine Schaltung zur Unterdrückung der Nichtlinearität einer Avalanche-Photodiode (APD).

Verändert ein optisches Signal, das von einer Avalanche- Photodiode (APD) empfangen und umgewandelt wird, seine Amplitude plötzlich von einem hohen auf einen niedrigen Bereich, tritt in dem Ausgangsstrom der APD eine nichtlineare "Erholung", oder ein "Schwanz" des hochpegeligen Signals auf, welcher jedes niedrigpegelige, möglicherweise ebenfalls vorliegende Signal verdeckt.

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Dieses Phänomen beschränkt beispielsweise die räumliche Auflösung optischer Gleichstromimpulsreflektometer.

Bei Gleichstromimpulsreflektometern gibt es verschiedene Ausblendungsverfahren zur Begrenzung dieses "Schwanzes". In der US-Patentschrift 47 69 534 (vom 6. September 1988, mit dem Titel "Optical Detector with Storage Effects Reduction") ist ein optischer Schalter zwischen das optische Empfangssignal und den optischen Detektor geschaltet, um die hochpegeligen Signale zur Verhinderung ihres Durchgangs zu dem optischen Detektor während Nichtabtastungsintervallen auszublenden. Der optische Schalter ist so gesteuert, daß der Schalter nur dann schließt, wenn das empfangene optische Signal abgetastet werden soll.

Ein weiteres Verfahren mit einem optischen Schalter ist in der anhängigen deutschen Patentanmeldung P 40 22 386.8 vom 13. Juli 1990 offenbart, bei der ein Teil des elektrischen Ausgangssignals mit einem Teil des optischen Eingangssignals verglichen wird, um ein Schaltersteuerungssignal zu erzeugen, um das optische Eingangssignal nach einem Verzögerungsintervall an den optischen Detektor weiterzugeben, und zwar nur in Abwesenheit von hochpegeligen Signalen.

Manuelle Verfahren wurden ebenfalls verwendet, die erfordern, daß eine Bedienungsperson eine anfängliche Datenerfassung beachtet und dann dem optischen Schalter mittels eines Cursors oder einer anderen Vorrichtung das Signal gibt, bei aufeinanderfolgenden Datenerfassungen bei Intervallen mit hohen Bereich abzuschalten.

Es besteht die Aufgabe, ein Verfahren zur automatischen Korrektur der Nichtlinearität des Ausgangsschwanzes einer APD als Reaktion auf den Übergang von einem hochpegeligen Signal auf ein niedrigpegeliges Signal zur Verfügung zu stellen, um die räumliche Auflösung eines optischen Gleichstromimpuls­ reflektometers zu erhöhen. Hierbei macht sich die vorliegende Erfindung die Erkenntnis zunutze, daß ein Teil des Ausgangsstromschwanzes der APD deshalb unterdrückt werden kann, weil der Strom-"Schwanz" nur geringfügig von der Verstärkung/Aufnahme (GAIN) der APD anhängt.

Die vorliegende Erfindung bietet eine Schaltung zur Korrektur der Nichtlinearität einer Avalanche-Photodiode an, welche davon ausgeht, daß die Nichtlinearität nur in geringem Maße von der Verstärkung (GAIN) der APD abhängt.

Ein optisches Eingangssignal wird gemäß der Erfindung von der APD umgewandelt und verstärkt, wobei eine Ablenkspannung (Bias) und daher auch die Verstärkung (GAIN) der APD von einem Datenerfassungszyklus zum nächsten variiert wird. Die Datenerfassungszyklen werden wechselweise in Speichervorrichtungen gespeichert und dann ausgelesen, damit zwei aufeinanderfolgende Datenerfassungszyklen von Daten gleichzeitig ausgelesen werden. Die Resultate werden mit einer Summierungsvorrichtung verbunden, um einen wesentlichen Teil des "Schwanzes" wirksam zu löschen, wodurch im Grunde nur das elektrische Äquivalent des optischen Eingangssignals als Ausgang verbleibt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels.

Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Teiles einer Vorrichtung, bei der das erfindungsgemäße Nichtlinearitätslöschungsverfahren für eine APD verwendet wird,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Korrektur der Nichtlinearität einer Avalanche- (Lawinen-) Photodiode, das den Betrieb der vorliegenden Erfindung darlegt.

Gemäß Fig. 1 liegt ein optisches Eingangssignal an einer Verstärker/Detektor-Schaltung 10 zur Umwandlung der optischen Energie in elektrische Energie an. Das entstehende elektrische Signal wird in eine Abtastschaltung 20 eingegeben, die das elektrische Signal zu vorbestimmten Zeitintervallen abtastet. Das abgetastete elektrische Signal wird einer Digitalisierungsschaltung 30 zugeführt, wo es in eine Reihe digitaler Datenwörter umgewandelt wird. Die digitalen Datenwörter werden in einer Speichervorrichtung 40 abgelegt. Ein Mikroprozessor 50 (CPU) greift auf die digitalen Datenwörter zu und führt verschiedene Operationen an ihnen aus, wie beispielsweise eine Durchschnittsbestimmung der Abtastwerte und Durchführung des Nichtlinearitäts­ löschungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Mikroprozessor 50 überträgt dann die verarbeiteten digitalen Datenwörter an eine Anzeigevorrichtung 60. Die Abtastschaltung 20 und der Digitalisierer 30 werden über die CPU 50 von einer Zeitschaltung 70 getastet.

Im Betrieb, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, wird das optische Eingangssignal S(t) an eine Avalanche-Photodiode (APD) 12 gelegt. Die Verstärkung der APD 12 wird von einer Ablenkspannungssteuerschaltung (BUC) 14 gesteuert, um ein elektrisches Ausgangssignal AS′(t)+E(t) zu erzeugen, wobei A die Verstärkung der APD darstellt und E(t) das nichtlineare Erholungsfehlersignal oder den "Schwanz" darstellt. Das elektrische Ausgangssignal von der APD 12 wird von einem Verstärker 16 mit einer Verstärkung K gepuffert, und dann nach Digitalisierung einem Speicherpaar 42 bzw. 44 eingegeben. Eine Speichersteuerschaltung 52 bestimmt, in welche Speichervorrichtung 42, 44 das elektrische Signal von dem Pufferverstärker 16 eingelesen wird. Die Ausgänge der Speicher 42, 44 werden einer Summiersschaltung 54 zugeführt, um ein elektrisches Endausgangssignal zu erzeugen, von dem ein Teil des "Schwanzes" gelöscht ist.

Für einen ersten Datenerfassungszyklus wird die Verstärkung der APD 12 von einer Ablenkspannungssteuerschaltung 14 auf A1 gesetzt, und bei dem nächsten Datenerfassungszyklus wird die Verstärkung der APD auf A2 gesetzt. Das den ersten Datenerfassungszyklus darstellende elektrische Signal

K[A1*S′(t) + E(t)]

wird in der ersten Speichervorrichtung 42 gespeichert, und das den nächsten Datenerfassungszyklus darstellende elektrische Signal

K[A2*S′(t) + E(t)]

wird in der zweiten Speichervorrichtung 44 gespeichert. Diese aufeinanderfolgenden elektrischen Signale, die, verglichen mit der der APD 12, eine deutlich unterschiedliche Verstärkung haben, werden dann gleichzeitig in die Summiersschaltung 54 eingegeben, die als Subtraktionsschaltung fungiert, um das elektrische Endausgangssignal

K(A1 - A2)*S′(t)

zu erzeugen.

Die Speichervorrichtungen 42, 44 können ein einzelner Speicher mit einer Kapazität zur Speicherung zweier vollständiger Datenerfassungszyklen sein. Alternativ kann eine Speichervorrichtung gelöscht werden, wobei die Daten auf einem Erfassungzyklus gespeichert sind, ausgelesen und direkt mit den Daten des nächsten Erfassungszyklus verbunden werden. Der Mittelwert der Daten läßt sich in jeder der Speicher­ vorrichtungen 42, 44 erstellen und dann an die verbindende Schaltung 54 zur Erzeugung eines Endausgangs geben. Dieser Ausgang gelangt in die Anzeige mit entweder einem Anzeigespeicher, wo der Ausgang gespeichert wird oder das Signal gelangt in einen der Speicher zurück. Andererseits können die Daten der verbindenden Schaltung 54 unter wechselweisen Datenerfassungszyklen eingegeben werden, und das Ausgangssignal in einer anderen Speichervorrichtung oder Speicherabschnitt gespeichert und vor der Anzeige verarbeitet werden. Obwohl eine digitale Anwendung beschrieben wurde, läßt sich jede ähnliche Kombination/Verbindung, analog oder digital oder eine Kombination beider, verwenden, solange als Ergebnis ein Datenerfassungszyklus mit einem geringen APD-Bias von einem anderen Datenerfassungszyklus mit einem hohen APD-Bias subtrahiert wird, um den "Schwanz"-fehler zu verringern.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Schaltung zur Korrektur der Nichtlinearität einer Avalanche-Photodiode zur Verfügung, die wirkungsvoll einen Teil des nichtlinearen Erholungsfehlers, oder "Schwanz", der APD löscht, indem die APD-Verstärkung von einem Erfassungzyklus zum nächsten variiert wird, und die Daten von den aufeinanderfolgenden Erfassungszyklen subtrahiert werden, um ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen.

Claims (3)

1. Korrekturschaltung zur Unterdrückung nichtlinearen Ansprechens einer Vorrichtung, bei der das nichtlineare Ansprechen nur geringfügig von der Verstärkung der Vorrichtung abhängt, gekennzeichnet durch
eine Vorrichtung (10) zur Variierung der Verstärkung der Vorrichtung von einem Datenerfassungszyklus zum nächsten; und
eine Vorrichtung (54) zur Subtraktion von Daten von konsekutiven Datenerfassungszyklen zum Erhalt eines Ausgangsignals, bei dem ein Teil des nichtlinearen Ansprechens unterdrückt ist.

2. Korrekturschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Variierungsvorrichtung (10) eine Ablenkspannungssteuerschaltung (14) für die Vorrichtung umfaßt, wobei die Verstärkung der Vorrichtung eine Funktion einer Ausgangsspannung der Ablenkspannungssteuerschaltung ist.

3. Korrekturschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Speicherung (40) aufeinanderfolgender Datenerfassungszyklen und eine Vorrichtung zum Verbindung (54) der Daten für die aufeinanderfolgenden Datenerfassungszyklen von der Speichervorrichtung zur Erzeugung des Ausgangssignals.