RU2248670C2 - Device for turning-on avalanche photodiode in optical receiver - Google Patents

Abstract

FIELD: optical communications engineering; optical receivers using avalanche photodiodes.

SUBSTANCE: newly introduced in device are second dc voltage supply; additional identical avalanche photodiode connected in parallel with main avalanche photodiode and designed for operation at same temperature as main one without illumination during onset of avalanche discharge; circuit for generating constant voltage difference between avalanche photodiodes; and signal transformer whose primary winding is connected between anode of main photodiode and output of circuit generating bias voltage across avalanche photodiode; secondary winding is used as input for amplifier connection.

EFFECT: enhanced stability in open communication lines at intensive external background in wide range of temperatures and supply voltages.

3 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к оптическим фотоприемникам, использующим лавинные фотодиоды.The present invention relates to optoelectronics, in particular to optical photodetectors using avalanche photodiodes.

Лавинные фотодиоды, используемые в оптических фотоприемниках, имеют сильную зависимость коэффициента усиления от напряжения смещения на них, температуры и выходного тока, в связи с чем возникает проблема сохранения высокой чувствительности этих приборов при изменениях температуры и интенсивной внешней засветке.Avalanche photodiodes used in optical photodetectors have a strong dependence of the gain on the bias voltage on them, temperature and output current, which raises the problem of maintaining the high sensitivity of these devices with temperature changes and intense external illumination.

Известны устройства, в которых решается задача контроля напряжения смещения на лавинном фотодиоде при изменениях температуры и при изменениях светового потока, падающего на него (см. 1. патент Японии №4278738, М. кл. Н 04 В 9/00, H 01 L 31/107, H 01 L 31/10, H 03 F 3/08, опубл. 5.10.1992 г., 2. патент Японии №5075354, М. кл. H 03 F 3/08, H 01 L 23/58, H 01 L 31/10, H 01 L 31/107, опубл. 26.03.1993 г., 3. патент Японии №2002050784, М. кл. H 01 L 31/10, H 01 L 31/107, H 03 F 3/08, Н 04 В 10/28, Н 04 В 10/26, Н 04 В 10/14, опубл. 15.02.2002 г., 4. Европейский патент ЕР №1006591, М. кл. H 01 L 31/02, H 01 L 31/107, H 03 F 3/08, H 03 F 1/30, Н 04 В 10/04, опубл. 7.06.2000 г.).Known devices in which the problem of controlling the bias voltage on the avalanche photodiode is solved with changes in temperature and with changes in the light flux incident on it (see 1. Japan patent No. 4278738, M. class N 04 V 9/00, H 01 L 31 / 107, H 01 L 31/10, H 03 F 3/08, publ. 5.10.1992, 2. Japan patent No. 5075354, M. C. H 03 F 3/08, H 01 L 23/58, H 01 L 31/10, H 01 L 31/107, publ. 03/26/1993, 3. Japan patent No.2002050784, M. cl. H 01 L 31/10, H 01 L 31/107, H 03 F 3/08, H 04 B 10/28, H 04 B 10/26, H 04 B 10/14, publ. 02.15.2002, 4. European patent EP No. 1006591, M. cl. H 01 L 31 / 02, H 01 L 31/107, H 03 F 3/08, H 03 F 1/30, H 04 B 10/04, published on June 7, 2000).

В устройстве по патенту Японии №4278738 контроль напряжения смещения на лавинном фотодиоде осуществляется путем снижения напряжения, поступающего от стабилизированного источника питания. Для этого используется ограничивающая цепь, состоящая из диода Зенера и резистивного делителя напряжения, которая минимизирует напряжение смещения на лавинном фотодиоде при максимальном световом потоке, падающем на него.In the device according to Japanese patent No. 4278738, the bias voltage control on the avalanche photodiode is carried out by reducing the voltage coming from a stabilized power source. For this, a limiting circuit is used, consisting of a Zener diode and a resistive voltage divider, which minimizes the bias voltage on the avalanche photodiode with a maximum light flux incident on it.

В патенте Японии №5075354 используется специальное устройство, подключаемое к лавинному фотодиоду и содержащее источник постоянного напряжения, датчик температуры, операционный усилитель, резистивный делитель напряжения. Это устройство обеспечивает напряжение смещения на лавинном фотодиоде, изменяющееся в зависимости от изменения температуры.Japanese Patent No. 5075354 uses a special device connected to an avalanche photodiode and containing a constant voltage source, temperature sensor, operational amplifier, and a resistive voltage divider. This device provides bias voltage on the avalanche photodiode, which varies with temperature.

В Европейском патенте ЕР №1006591 используется устройство, подключаемое к лавинному фотодиоду, которое формирует напряжение питания лавинного фотодиода в зависимости от интенсивности светового сигнала, падающего на него. Это устройство содержит датчик температуры, например, термистор, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, блок памяти. При этом напряжение питания поступает на коллектор транзистора, база которого соединена с выходом упомянутого выше устройства, а эмиттер транзистора через резистор подключен к катоду лавинного фотодиода. Транзистор усиливает напряжение питания, поступающее на лавинный фотодиод, в зависимости от напряжения, поступающего на его базу с упомянутого выше устройства.In European patent EP No. 1006591, a device connected to an avalanche photodiode is used, which generates the supply voltage of the avalanche photodiode depending on the intensity of the light signal incident on it. This device contains a temperature sensor, for example, a thermistor, analog-to-digital and digital-to-analog converters, a memory unit. In this case, the supply voltage is supplied to the collector of the transistor, the base of which is connected to the output of the aforementioned device, and the emitter of the transistor is connected through a resistor to the cathode of the avalanche photodiode. The transistor amplifies the supply voltage supplied to the avalanche photodiode, depending on the voltage supplied to its base from the aforementioned device.

В патенте Японии №2002050784 используется контролирующая цепь обратной связи, характеристика которой такова, что если ток, протекающий через лавинный фотодиод, небольшой, электрический потенциал на катоде лавинного фотодиода остается постоянным. При увеличении светового потока, падающего на лавинный фотодиод, увеличивается ток через лавинный фотодиод, при этом возрастает сопротивление контролирующей цепи обратной связи, а напряжение на катоде лавинного фотодиода падает.Japanese Patent No. 200250784 uses a control feedback loop whose characteristic is that if the current flowing through the avalanche photodiode is small, the electric potential at the cathode of the avalanche photodiode remains constant. With an increase in the light flux incident on the avalanche photodiode, the current through the avalanche photodiode increases, while the resistance of the control feedback circuit increases, and the voltage at the cathode of the avalanche photodiode decreases.

Используемые в известных аналогах средства для стабилизации напряжения смещения на лавинном фотодиоде при изменениях температуры и изменениях интенсивности светового потока в условиях открытых оптических линий связи обеспечивают эту стабилизацию в ограниченных пределах и с недостаточной точностью, поскольку не учитывают наличие дополнительной паразитной внешней засветки, возможность изменения температуры в широких пределах, в которых температурные характеристики лавинного фотодиода являются нелинейными и существенно отличаются от температурных характеристик компенсирующих элементов.The means used to stabilize the bias voltage on the avalanche photodiode when temperature changes and light intensity changes under conditions of open optical communication lines provide this stabilization to a limited extent and with insufficient accuracy, since they do not take into account the presence of additional spurious external illumination, the possibility of temperature changes in wide limits in which the temperature characteristics of the avalanche photodiode are nonlinear and differ significantly by compensating the temperature characteristics of the elements.

В качестве прототипа выбрано устройство по Европейскому патенту ЕР №1006591.As a prototype of the selected device according to European patent EP No. 1006591.

Задачей изобретения является обеспечение стабильной работы лавинного фотодиода в условиях открытых оптических линий связи при изменениях интенсивности внешней засветки в широком диапазоне температур и питающих напряжений.The objective of the invention is to ensure stable operation of the avalanche photodiode in open optical communication lines with changes in the intensity of external illumination in a wide range of temperatures and supply voltages.

Решение поставленной задачи обеспечивается в предлагаемом устройстве включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения, содержащем источник постоянного напряжения, схему формирования напряжения смещения лавинного фотодиода, включенную между источником постоянного напряжения и основным лавинным фотодиодом, отличающемся тем, что в него введены сигнальный трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно с лавинным фотодиодом, а вторичная обмотка является входом для подключения усилителя, дополнительный идентичный лавинный фотодиод, работающий при той же температуре, без освещения в режиме начала лавинного разряда, и схема формирования постоянной разности напряжений между основным и дополнительным лавинными фотодиодами.The solution to this problem is provided in the proposed device for switching on an avalanche photodiode in an optical radiation receiver containing a constant voltage source, a bias circuit for generating an avalanche photodiode bias voltage connected between the constant voltage source and the main avalanche photodiode, characterized in that a signal transformer is introduced into it, the primary winding of which connected in series with an avalanche photodiode, and the secondary winding is an input for connecting an amplifier, an additional ny identical avalanche photodiode operated at the same temperature, without lighting start mode avalanche discharge, and the circuit forming the constant voltage difference between the primary and secondary avalanche photodiodes.

При этом для обеспечения работы дополнительного лавинного фотодиода в начале лавинного разряда устройство дополнительно содержит резистор, включенный между источником постоянного напряжения и дополнительным лавинным фотодиодом, а также транзистор, переход база-эмиттер которого включен последовательно с дополнительным лавинным фотодиодом, а его коллектор подключен к точке соединения резистора и дополнительного лавинного фотодиода.Moreover, to ensure the operation of the additional avalanche photodiode at the beginning of the avalanche discharge, the device further comprises a resistor connected between the DC voltage source and the additional avalanche photodiode, as well as a transistor, the base-emitter junction of which is connected in series with the additional avalanche photodiode, and its collector is connected to the connection point resistor and additional avalanche photodiode.

Схема формирования постоянной разности напряжений между основным и дополнительным лавинными фотодиодами может содержать, например, транзистор, эмиттер которого заземлен через параллельную RC-цепь и соединен с концом первичной обмотки сигнального трансформатора, начало которой подключено к основному лавинному фотодиоду, коллектор транзистора подключен к дополнительному независимому стабилизированному источнику постоянного напряжения, а база - подключена к средней точке делителя напряжения от упомянутого источника.The circuit for generating a constant voltage difference between the main and additional avalanche photodiodes can contain, for example, a transistor whose emitter is grounded through a parallel RC circuit and connected to the end of the primary winding of the signal transformer, the beginning of which is connected to the main avalanche photodiode, the collector of the transistor is connected to an additional independent stabilized a constant voltage source, and the base is connected to the midpoint of the voltage divider from said source.

Введение в предлагаемое устройство дополнительного лавинного фотодиода, работающего при той же температуре, без освещения в режиме начала лавинного разряда, обеспечивает получение требуемого значения напряжения смещения на основном лавинном фотодиоде, поскольку характеристики дополнительного лавинного фотодиода идентичны характеристикам основного лавинного фотодиода, в то время как в известных устройствах характеристики компенсирующих элементов отличаются от характеристик лавинного фотодиода.Introduction to the proposed device an additional avalanche photodiode operating at the same temperature without illumination in the mode of the beginning of an avalanche discharge provides the required bias voltage on the main avalanche photodiode, since the characteristics of the additional avalanche photodiode are identical to the characteristics of the main avalanche photodiode, while in the known devices characteristics of the compensating elements differ from the characteristics of the avalanche photodiode.

При этом создание постоянной разности напряжений между основным и дополнительным лавинными фотодиодами обеспечивает получение стабильного коэффициента усиления основного лавинного фотодиода.Moreover, the creation of a constant voltage difference between the main and additional avalanche photodiodes provides a stable gain of the main avalanche photodiode.

А включение сигнального трансформатора последовательно с лавинным фотодиодом устраняет зависимость коэффициента усиления основного фотодиода от паразитной внешней засветки.And the inclusion of a signal transformer in series with an avalanche photodiode eliminates the dependence of the gain of the main photodiode on spurious external illumination.

Пример построения схемы предлагаемого устройства включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения приведен на чертеже.An example of the construction of the proposed device for switching on an avalanche photodiode in an optical radiation receiver is shown in the drawing.

Устройство содержит резистор R1, подключенный одним концом к первому источнику постоянного напряжения U1, а вторым концом - к катоду дополнительного лавинного фотодиода ЛФД2, анод которого соединен с резистором R2, второй конец которого заземлен, и базой транзистора Т1, коллектор которого подключен к точке соединения катодов основного и дополнительного лавинных фотодиодов с резистором R1, а эмиттер транзистора Т1 заземлен. Анод основного лавинного фотодиода ЛФД1 подключен к началу первичной обмотки сигнального трансформатора Тр, конец которой подключен к эмиттеру транзистора Т2, и заземлен через параллельную RC-цепь, включающую резистор R3 и конденсатор С, база транзистора Т2 подключена к средней точке переменного резистора R4, являющегося делителем напряжения U2, поступающего от второго источника постоянного напряжения к одному концу резистора R4, а второй конец резистора R4 заземлен. Вторичная обмотка сигнального трансформатора Тр является входом для подключения усилителя. Транзистор Т2 с резистивным делителем напряжения, подключенным к источнику постоянного напряжения U2, образуют схему формирования постоянной разности напряжений между основным ЛФД1 и дополнительным ЛФД2 лавинными фотодиодами.The device contains a resistor R1 connected at one end to the first constant voltage source U1, and the other end to the cathode of the additional avalanche photodiode LFD2, the anode of which is connected to the resistor R2, the second end of which is grounded, and the base of the transistor T1, the collector of which is connected to the cathode connection point primary and secondary avalanche photodiodes with resistor R1, and the emitter of transistor T1 is grounded. The anode of the main avalanche photodiode LFD1 is connected to the beginning of the primary winding of the signal transformer Tr, the end of which is connected to the emitter of transistor T2, and is grounded via a parallel RC circuit including resistor R3 and capacitor C, the base of transistor T2 is connected to the midpoint of variable resistor R4, which is a divider voltage U2 from the second DC voltage source to one end of the resistor R4, and the second end of the resistor R4 is grounded. The secondary winding of the signal transformer Tr is the input for connecting the amplifier. Transistor T2 with a resistive voltage divider connected to a constant voltage source U2 form a circuit for generating a constant voltage difference between the main APD1 and the additional APD2 avalanche photodiodes.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. При подаче напряжений U1 и U2 от источников постоянного напряжения дополнительный лавинный фотодиод ЛФД2 совместно с транзистором Т1 обеспечивает параметрическую стабилизацию напряжения U1 на уровне напряжения начала лавинного разряда ЛФД2 при любых температурах корпусов лавинных фотодиодов ЛФД2 и ЛФД1, соединенных теплопроводящим радиатором, и независимо от наличия паразитной внешней засветки, поскольку лавинный диод ЛФД2 работает без освещения. При этом напряжение на эмиттере транзистора Т2 создает постоянную разность напряжений между лавинными фотодиодами ЛФД1 и ЛФД2, обеспечивая постоянство коэффициента усиления основного лавинного фотодиода ЛФД1.The work of the proposed device is as follows. When voltages U1 and U2 are supplied from direct voltage sources, the additional LFD2 avalanche photodiode together with the T1 transistor provides parametric stabilization of the U1 voltage at the beginning of the LFD2 avalanche discharge voltage at any temperature of the avalanche photodiodes LFD2 and LFD1 connected by a heat-conducting radiator, and regardless of the presence of a parasitic external illumination, since the avalanche diode LFD2 works without lighting. In this case, the voltage at the emitter of the transistor T2 creates a constant voltage difference between the avalanche photodiodes LFD1 and LFD2, providing a constant gain of the main avalanche photodiode LFD1.

Пример реализации предлагаемого устройства можно пояснить следующим образом.An example implementation of the proposed device can be explained as follows.

В качестве основного и дополнительного лавинных фотодиодов ЛФД1 и ЛФД2 могут использоваться, например, лавинные фотодиоды типа КРД0001Е08 (см. Каталог Японской фирмы HAMAMATSU “PHOTODIODES”, Oct. 1999T, Printed in Japan, стр. 38).As the main and additional avalanche photodiodes LFD1 and LFD2, for example, avalanche photodiodes of the KRD0001E08 type can be used (see Catalog of the Japanese company HAMAMATSU “PHOTODIODES”, Oct. 1999T, Printed in Japan, p. 38).

В качестве транзистора Т1 может быть использован, например, транзистор типа КТ3153А, а в качестве транзистора Т2 - транзистор типа КТ604Б (см. Справочник “Полупроводниковые приборы. Транзисторы биполярные КТ370...КТ374, КТ502...КТ681”, изд. РНИИ “Электростандарт”, Санкт-Петербург, 1993 г.).For example, a transistor of the KT3153A type can be used as a transistor T1, and a transistor of the KT604B type can be used as a transistor T2 (see the reference book “Semiconductor devices. Bipolar transistors KT370 ... KT374, KT502 ... KT681”, published by RNII “” Electrostandard ”, St. Petersburg, 1993).

В качестве сигнального трансформатора может использоваться. например, трансформатор типа ТG 110-5050N1 (см. Каталог фирмы Halo Electronics, изд. 2001 г.).As a signal transformer can be used. for example, a transformer of type TG 110-5050N1 (see Halo Electronics catalog, 2001 edition).

Claims (3)

1. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения, содержащее источник постоянного напряжения, соединенный с основным лавинным фотодиодом посредством схемы формирования напряжения смещения лавинного фотодиода, отличающееся тем, что в него введены второй источник постоянного напряжения, дополнительный идентичный лавинный фотодиод, включенный параллельно основному лавинному фотодиоду и работающий при той же температуре, что и основной, без освещения в режиме начала лавинного разряда, схема формирования постоянной разности напряжений между лавинными фотодиодами и сигнальный трансформатор, первичная обмотка которого включена между анодом основного лавинного фотодиода и выходом схемы формирования напряжения смещения лавинного фотодиода, вторичная обмотка сигнального трансформатора является входом для подключения усилителя, при этом второй источник постоянного напряжения через схему формирования постоянной разности напряжений между лавинными фотодиодами соединен со схемой формирования напряжения смещения лавинного фотодиода.1. A device for switching on an avalanche photodiode in an optical radiation receiver, comprising a constant voltage source connected to the main avalanche photodiode by means of an avalanche photodiode bias voltage generating circuit, characterized in that a second constant voltage source is introduced into it, an additional identical avalanche photodiode connected in parallel with the main avalanche photodiode and operating at the same temperature as the main one, without illumination in the mode of the beginning of an avalanche discharge, the formation circuit according to the voltage difference between the avalanche photodiodes and the signal transformer, the primary winding of which is connected between the anode of the main avalanche photodiode and the output of the bias circuit of the avalanche photodiode, the secondary winding of the signal transformer is an input for connecting the amplifier, while the second constant voltage source through the constant voltage difference circuit between the avalanche photodiodes is connected to the circuit for generating the bias voltage of the avalanche photodiode. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для обеспечения работы дополнительного лавинного фотодиода в начале лавинного разряда оно дополнительно содержит резистор, включенный между источником постоянного напряжения и катодом дополнительного лавинного фотодиода, а также транзистор, переход база - эмиттер которого включен последовательно с дополнительным лавинным фотодиодом, а коллектор подключен к точке соединения резистора и катода дополнительного лавинного фотодиода.2. The device according to claim 1, characterized in that to ensure the operation of the additional avalanche photodiode at the beginning of the avalanche discharge, it further comprises a resistor connected between the DC voltage source and the cathode of the additional avalanche photodiode, as well as a transistor, the base-emitter junction of which is connected in series with additional avalanche photodiode, and the collector is connected to the connection point of the resistor and cathode of the additional avalanche photodiode. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема формирования постоянной разности напряжений между лавинными фотодиодами содержит транзистор, эмиттер которого заземлен через параллельную RC-цепь, коллектор подключен к дополнительному источнику постоянного напряжения, а база подключена к средней точке делителя напряжения дополнительного источника постоянного напряжения.3. The device according to claim 1, characterized in that the circuit for generating a constant voltage difference between avalanche photodiodes contains a transistor, the emitter of which is grounded through a parallel RC circuit, the collector is connected to an additional constant voltage source, and the base is connected to the midpoint of the voltage divider of the additional source constant voltage.