RU2778047C1 - Method for receiving optical signals - Google Patents
Method for receiving optical signals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2778047C1 RU2778047C1 RU2021134975A RU2021134975A RU2778047C1 RU 2778047 C1 RU2778047 C1 RU 2778047C1 RU 2021134975 A RU2021134975 A RU 2021134975A RU 2021134975 A RU2021134975 A RU 2021134975A RU 2778047 C1 RU2778047 C1 RU 2778047C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- threshold
- photodiode
- microplasma
- noise
- level
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
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.The present invention relates to the reception of optical signals, in particular, to the technique of receiving signals using avalanche photodiodes, and can be used in location, communications and other photoelectronic systems.
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].A known method of receiving optical signals using avalanche photodiodes [1]. There are also known methods for stabilizing the avalanche mode of the photodiode, for example, by thermal compensation of the operating point of the bias voltage [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].Closest to the proposed technical solution is a method for receiving pulsed optical signals using an avalanche photodiode, the bias voltage of which is maintained by stabilizing the frequency of noise pulses that occur in the photodiode during avalanche multiplication [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.The disadvantage of this method is the possibility of introducing a photodiode into the microplasma breakdown mode [4]. Microplasma current pulses have a rectangular shape and a constant amplitude, which increases as the reverse voltage increases. An increase in the amplitude is accompanied by an increase in the duration of the pulses and a decrease in the duty cycle [5]. In this mode, the noise of the avalanche photodiode consists of two independent components - normal noise [6] and "telegraph" noise of microplasmas. The microplasma component of the photodiode noise is not statistically comparable with the normal component, and its participation in the process of controlling the photodiode bias is unpredictable [7]. Under certain temperature conditions, adjusting the avalanche mode according to the frequency of photodiode noise emissions, including microplasmas, can lead to the system reaching a non-optimal avalanche multiplication mode, i.e. to the deterioration of the threshold sensitivity of the photodetector or to the unacceptable probability of false alarms caused by microplasmas.
Задачей изобретения является достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазм и нормального шума при минимальном времени выхода на оптимальный лавинный режим.The objective of the invention is to achieve maximum sensitivity in all operating conditions, taking into account microplasmas and normal noise with a minimum time to reach the optimal avalanche mode.
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 Uсм1 до рабочего уровня ϕ со скоростью Sсм=ΔUсм/ΔТ, где ΔUсм - ступень регулирования напряжения смещения за один цикл контроля; ΔT=KΔt - длительность цикла контроля наличия микроплазм; - количество тактов контроля в одном цикле; рв - доверительная граница оценки вероятности генерации микроплазмы; t - надежность определения рв; 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 tM устанавливают достигнутый к этому моменту коэффициент лавинного умножения М путем фиксации напряжения смещения фотодиода UсмМ(tM), одновременно фиксируют уровень порога, после чего приступают к приему оптических сигналов.This problem is solved due to the fact that in the known method of receiving optical signals using an avalanche photodiode, including threshold processing of signals and the formation of output pulses using a threshold device, when the signal from the output of the photodiode exceeds a predetermined response threshold, the bias voltage of the photodiode is increased from the initial level U cm1 to the operating level ϕ at a speed of S cm =ΔU cm /ΔT, where ΔU cm is the stage of bias voltage regulation in one control cycle; ΔT=KΔt - duration of the microplasma presence control cycle; - the number of control cycles in one cycle; p in - confidence limit of the estimate of the probability of microplasma generation; t is the reliability of the determination of p in ; Δt - the duration of the step of checking the presence of microplasma; while in the process of regulation, the response threshold is continuously corrected in the noise automatic threshold adjustment mode, maintaining the specified threshold/noise ratio, and the presence of pulses exceeding the level corresponding to the microplasma amplitude is checked, when registering the first such pulse at the moment t M , the coefficient achieved by this moment is set avalanche multiplication M by fixing the bias voltage of the photodiode U cmM (t M ), at the same time fix the threshold level, and then start receiving optical signals.
Перед началом приема сигналов порог может быть увеличен в раз, где f0 - частота пересечения шумом нулевого уровня; fп - установившаяся частота шумовых превышений порога в подготовительном режиме; fp - заданная частота ложных тревог в рабочем режиме.Before receiving signals, the threshold can be increased by times, where f 0 - the frequency of crossing the noise level zero; f p - steady frequency of noise exceeding the threshold in the preparatory mode; f p - the specified frequency of false alarms in the operating mode.
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.In FIG. 1 shows a diagram of a photodetector device that implements this method. In FIG. 2a), b) - examples of the implementation of noise at the input of the threshold device. In FIG. 3 shows graphs of the signal-to-noise ratio ηM) for germanium (Fig. 3a) and silicon (Fig. 3b) avalanche photodiodes.
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.The photodetector implementing the method comprises an
Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.
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 Sсм В/с. Порог срабатывания порогового устройства отрабатывает увеличение среднеквадратического значения нормального шума гдеOn command from the
Kу - коэффициент передачи тракта от фотодиода до входа порогового устройства;K y - transmission coefficient of the path from the photodiode to the input of the threshold device;
- квадрат неумножаемого шумового тока; is the square of the non-multipliable noise current;
е - заряд электрона;e is the electron charge;
I1 - первичный обратный ток фотодиода;I 1 - primary reverse current of the photodiode;
Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства;Δf is the bandwidth of the linear path to the input of the threshold device;
М - коэффициент лавинного умножения;M - coefficient of avalanche multiplication;
Мα - шум-фактор лавинного умножения;M α - noise factor of avalanche multiplication;
α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [6].α - coefficient determined by the material of the photodiode [6].
Быстродействие (постоянная времени) схемы ШАРП должно обеспечивать постоянное отношение порог/шум при заданной скорости изменения The speed (time constant) of the SHARP circuit must provide a constant threshold/noise ratio at a given rate of change
По мере роста напряжения смещения фотодиода увеличивается не только нормальная составляющая умножаемого шума Iм 2, 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.As the bias voltage of the photodiode increases, not only the normal component of the multiplied noise I m 2 increases, but also the probability of occurrence of microplasma breakdowns [7]. After registering the first microplasma using the
Требуемую скорость нарастания напряжения смещения определяют следующим образом.The required rate of rise of the bias voltage is determined as follows.
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 рв оценки вероятности р при m=1.When assessing the probability p of a false event (generation of microplasma) by calculating the relative frequency of false events [10, p. 226] as the ratio w of the number m of false events and the total volume k of tests, there is a confidence limit p in the probability estimate p for m=1.
где w=1/k;where w=1/k;
t - доверительный коэффициент (надежность оценки); например, доверительной вероятности 0,95 соответствует надежность t=1,96 [10, с. 226].t - confidence factor (reliability of the assessment); for example, a confidence level of 0.95 corresponds to a reliability of t=1.96 [10, p. 226].
Из (3) следует необходимый объем испытаний k=K при m=1 для обеспечения заданной вероятности рв с надежностью t.From (3) follows the required amount of tests k=K at m=1 to ensure a given probability p in with reliability t.
Пример 1Example 1
р=0,0001; t=2.p=0.0001; t=2.
В соответствии с (4) K=3 ⋅ 104.According to (4) K=3 ⋅ 10 4 .
Статистический объем K необходим для каждой ступени ΔUсм регулирования напряжения смещения.Statistical volume K is required for each step ΔU cm of bias voltage regulation.
Длительность T1 цикла контроля на каждой ступени ΔUсм Duration T 1 control cycle at each stage ΔU cm
где Δt - длительность такта проверки наличия микроплазмы, соответствующая дискретности измерения задержки принимаемого импульса.where Δt is the duration of the cycle of checking the presence of microplasma, corresponding to the discreteness of measuring the delay of the received pulse.
Пример 2Example 2
K=104; Δt=10-8 с.K= 104 ; Δt=10 -8 s.
T1=104⋅10-8=10-4 c.T 1 \
Количество Q ступеней регулирования напряжения смещенияNumber Q steps of bias voltage regulation
где Ucм1 - начальный уровень напряжения смещения;where U cm1 - the initial level of the bias voltage;
UcмM - максимальный конечный уровень напряжения смещения.U cmM - the maximum final level of the bias voltage.
Пример 3Example 3
Ucм0-UcмМ=20B: ΔUсм=1 В.U cm0 -U cmM \u003d 20V: ΔU cm \u003d 1 V.
Q=20/1=20.Q=20/1=20.
Максимальное время выхода на рабочий режим смещенияThe maximum time to reach the operating mode of displacement
Пример 4Example 4
В условиях примеров 2-3Under the conditions of examples 2-3
Т=20⋅10-4=2⋅10-3 с.Т=20⋅10 -4 =2⋅10 -3 s.
Если процесс стабилизации отношения порог/шум происходит при частоте fп шумовых превышений порога, превышающей частоту fp таких событий в рабочем режиме, то перед переходом к приему сигналов порог увеличивают в раз [9], где f0 - частота пересечения шумом нулевого уровня. Такой процесс стабилизации режима порогового устройства также занимает время не более 10-3 с [9].If the process of stabilization of the threshold/noise ratio occurs at a frequency f p of noise exceeding the threshold exceeding the frequency f p of such events in the operating mode, then before switching to signal reception, the threshold is increased by times [9], where f 0 is the frequency of noise crossing the zero level. Such a process of stabilization of the threshold device mode also takes no more than 10 -3 s [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.Thus, the proposed method provides the time to enter the regime of the order of T=1 ms and work with a maximum repetition rate of 1/T=1 kHz. Existing technical solutions [8] provide access to the mode in 1-6 s. The speed gain of the proposed method is 1000-6000 times.
Микроплазмы могут возникать при коэффициенте лавинного умножения М, меньшем оптимального Мопт [6]. На фиг 2а) показана реализация шума при М=Мопт, а на фиг. 2б) - при удовлетворяющем требованиям по частоте микроплазм. При этом отношение сигнал/шум практически не ухудшается.Microplasmas can appear when the avalanche multiplication factor M is less than the optimal M opt [6]. Fig. 2a) shows the implementation of noise at M=M opt , and Fig. 2b) - at meeting the requirements for the frequency of microplasmas. In this case, the signal-to-noise ratio practically does not deteriorate.
Пример 5 (Фиг. 3а).Example 5 (Fig. 3a).
Германиевый фотодиод. I1=10-7 A. Iм 2=3,2⋅10-19 А2. 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=Мопт = 3, не более, чем на 2%.germanium photodiode. I 1 \u003d 10 -7 A. I m 2 \u003d 3.2⋅10 -19 A 2 . α=1. The area of microplasmas starts from M=3.5. The operating point of the photodiode is maintained at M=2.5...3.5. In this case, the maximum signal-to-noise ratio provided by the method differs from the maximum value provided at M=M opt = 3 by no more than 2%.
Пример 6 (Фиг. 3б).Example 6 (Fig. 3b).
Кремниевый фотодиод. I1=10-9 A. Iм 2=3,2⋅10-21 А2. 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=Мопт = 30, не более, чем на 2%.Silicon photodiode. I 1 \u003d 10 -9 A. I m 2 \u003d 3.2⋅10 -21 A 2 . α=0.5. The area of microplasmas starts from M=25. The operating point of the photodiode is maintained at a factor of M=25, corresponding to the appearance of individual microplasmas. In this case, the maximum signal-to-noise ratio provided by the method differs from the maximum value provided at M=M opt = 30 by no more than 2%.
Следует отметить, что дискретность Δt в операциях способа непосредственно не участвует, а определяет лишь длительность Т1 Благодаря этому способ отличается простотой реализации - плавным увеличением Uсм и ожиданием первой микроплазмы, по которой подготовительный режим переключается на рабочий.It should be noted that discreteness Δt is not directly involved in the operations of the method, but determines only the duration T 1. Due to this, the method is easy to implement - a smooth increase in U cm and waiting for the first microplasma, through which the preparatory mode switches to the working one.
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.Thus, the objective of the invention is ensured - the achievement of maximum sensitivity in all operating conditions, taking into account microplasma breakdowns and normal noise with a minimum time to reach the optimal avalanche mode.
Источники информацииSources of information
1. Росс М. Лазерные приемники. - «Мир», М., 1969 г.1. Ross M. Laser receivers. - "Mir", M., 1969
2. Патент РФ №2 248670. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения. 2005 г.2. Patent of the Russian Federation No. 2 248670. A device for switching on an avalanche photodiode in an optical radiation receiver. 2005
3. US pat. 4,077,718. Receiver for optical radar. 1978. - прототип.3 US Pat. 4,077,718. Receiver for optical radar. 1978. - prototype.
4. Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков M.A. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007.4. Filachev A.M., Taubkin I.I., Trishenkov M.A. Solid state photoelectronics. Physical bases. Moscow, Fizmatgiz. 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, 1975.5. Vishnevsky A.I., Rudenko V.S., Platonov A.P. Power ion and semiconductor devices. Textbook for universities. Edited by B.C. Rudenko. Moscow, Higher School, 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. 59.6. Vilner V.G., Leichenko Yu.A., Motenko B.N. Analysis of the input circuit of a photodetector with an avalanche photodiode and anti-noise correction. Optical-mechanical industry, 1981, No. 9, - p. 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. 864-871.7. Shashkina A.S. Avalanche breakdown of a p-n-junction in radio engineering problems. - Scientific and technical bulletin of information technologies, mechanics and optics, 2016, volume 16, no. 5, p. 864-871.
8. Вильнер В.Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. - Оптико-механическая промышленность, 1984, №5, с. 39-41.8. Vilner V.G. Design of threshold devices with noise threshold stabilization. - Optical-mechanical industry, 1984, No. 5, p. 39-41.
9. Патент РФ №2718856. Способ автоматической стабилизации частоты пересечения порогового уровня выбросами шумового процесса, 2020 г.9. RF patent No. 2718856. A method for automatically stabilizing the frequency of crossing the threshold level by noise process emissions, 2020
10. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Москва, Высшая школа, 1977, - 480 С.10. Gmurman V.E. Theory of Probability and Mathematical Statistics. Moscow, Higher School, 1977, - 480 p.
Claims (2)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2778047C1 true RU2778047C1 (en) | 2022-08-12 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115801219A (en) * | 2022-10-09 | 2023-03-14 | 科大国盾量子技术股份有限公司 | Pulsed light blinding attack defense method and system for QKD system |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2360998B1 (en) * | 1976-08-06 | 1982-04-09 | Western Electric Co | |
JP2006284202A (en) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Nec Corp | Photon detection circuit and noise elimination method |
RU2008131699A (en) * | 2006-02-01 | 2010-02-10 | Конинклейке Филипс Электроникс, Н.В. (Nl) | Avalanche Photodiode in Geiger Counter Mode |
RU2567089C2 (en) * | 2011-07-04 | 2015-10-27 | Хамамацу Фотоникс К.К. | Photodiode matrix, method for determining reference voltage and method for determining recommended operating voltage |
US9553216B2 (en) * | 2012-02-27 | 2017-01-24 | Voxtel, Inc. | Avalanche photodiode receiver |
RU2755602C1 (en) * | 2020-11-26 | 2021-09-17 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method for threshold detection of optical signals |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2360998B1 (en) * | 1976-08-06 | 1982-04-09 | Western Electric Co | |
JP2006284202A (en) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Nec Corp | Photon detection circuit and noise elimination method |
RU2008131699A (en) * | 2006-02-01 | 2010-02-10 | Конинклейке Филипс Электроникс, Н.В. (Nl) | Avalanche Photodiode in Geiger Counter Mode |
RU2567089C2 (en) * | 2011-07-04 | 2015-10-27 | Хамамацу Фотоникс К.К. | Photodiode matrix, method for determining reference voltage and method for determining recommended operating voltage |
US9553216B2 (en) * | 2012-02-27 | 2017-01-24 | Voxtel, Inc. | Avalanche photodiode receiver |
RU2755602C1 (en) * | 2020-11-26 | 2021-09-17 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method for threshold detection of optical signals |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115801219A (en) * | 2022-10-09 | 2023-03-14 | 科大国盾量子技术股份有限公司 | Pulsed light blinding attack defense method and system for QKD system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5929982A (en) | Active APD gain control for an optical receiver | |
US3644740A (en) | Control circuit for biasing a photodetector so as to maintain a selected false alarm rate | |
US20150364635A1 (en) | Single photon counting | |
US5291505A (en) | Active energy control for diode pumped laser systems using pulsewidth modulation | |
US4464048A (en) | Laser rangefinders | |
KR100961012B1 (en) | Optical receiver protection circuit | |
CN103457673B (en) | Improve the method and apparatus of APD optical receiver saturated light power | |
US9083148B2 (en) | Real time equivalent model, device and apparatus for control of master oscillator power amplifier laser | |
US20040051938A1 (en) | Gain controlled optical amplifier | |
CN110199203B (en) | Monitoring device for a lidar system | |
CN110737189A (en) | Pulse laser interval measuring circuit | |
CN105812066A (en) | Method and device for controlling optical receiver, and optical receiver | |
RU2778047C1 (en) | Method for receiving optical signals | |
CN113489295B (en) | APD (avalanche photo diode) protection method and circuit | |
RU2778048C1 (en) | Method for receiving pulsed optical signals | |
RU2778045C1 (en) | Method for stabilizing the avalanche mode of a photodiode | |
RU2791438C1 (en) | Method for isolating optical pulses | |
RU2778629C1 (en) | Method for threshold detection of optical signals | |
RU2778976C1 (en) | Method for stabilizing the avalanche photodiode mode | |
US5781322A (en) | Method and apparatus for measuring the noise figure of an optical amplifier | |
US20200132817A1 (en) | Optical distance measurement apparatus | |
JP2020118695A (en) | Optical distance measuring device | |
RU2797660C1 (en) | Threshold detection method for optical signals | |
US20160182157A1 (en) | Optical receiver and optical reception method | |
RU2755602C1 (en) | Method for threshold detection of optical signals |