RU2815330C1 - Method for detecting optical signals using avalanche photodiode - Google Patents

Abstract

FIELD: optical signals.

SUBSTANCE: method for isolating signals from noise used in areas where it is necessary to determine noise parameters. The method for detecting optical signals includes threshold processing of signals and the formation of output pulses when the signal from the output of the photodiode exceeds a given operating threshold, while the frequency f₀ of noise crossing the zero threshold is first determined, the avalanche multiplication coefficient of the photodiode M is alternately set at three levels M*=1, M₁>1 and M₂>M₁, set the response threshold U at the level at which the frequencies P=f(M*), f₁ =f(M₁) and f₂ =f(M₂) exceed it by noise emissions in modes M₁ and M₂ satisfy the condition f₁<<f₀, record the values of M₁, M₂, f₁ and f₂ and calculate the parameterα noise factor of avalanche multiplication F=M^α according to the formula

where , after which the optimal mode for detecting optical signals is established, taking into account the specified parameter α.

EFFECT: optimizing the sensitivity of photodetectors by quickly determining the noise factor of the receiving path when constructing miniature, including wearable and built-in equipment, operating in a wide range of climatic conditions.

3 cl, 4 dwg, 1 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к обнаружению сигналов на фоне флуктуационного шума, в частности к технике приема импульсных оптических сигналов, и может быть использовано в локации, связи и других областях.The present invention relates to the detection of signals against the background of fluctuation noise, in particular to the technique of receiving pulsed optical signals, and can be used in location, communications and other fields.

Известен способ приема оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов [1-3]. Известны также способы стабилизации лавинного режима фотодиода, например, путем термокомпенсации рабочей точки напряжения смещения [4]. Указанные решения не обеспечивают максимального отношения сигнала к шуму, поскольку не контролируют это отношение. Знание характеристик шума важно для правильного построения режима порогового выделения сигналов [4]. Известные методы определения параметров шума, в том числе его дисперсии и шум-фактора [5-9], либо приближенно рассчитываются с учетом общих физических основ построения фотоприемных структур, либо требуют привлечения сложных стационарных приборов, основанных на метрологических принципах, непригодных для портативной аппаратуры, работающей в широком диапазоне внешних эксплуатационных воздействий.There is a known method for receiving optical signals using avalanche photodiodes [1-3]. There are also known methods for stabilizing the avalanche mode of a photodiode, for example, by thermal compensation of the operating point of the bias voltage [4]. These solutions do not provide the maximum signal-to-noise ratio because they do not control this ratio. Knowledge of the noise characteristics is important for the correct construction of the threshold signal selection mode [4]. Known methods for determining noise parameters, including its dispersion and noise factor [5-9], are either approximately calculated taking into account the general physical principles of constructing photodetector structures, or require the use of complex stationary instruments based on metrological principles that are unsuitable for portable equipment, operating in a wide range of external operational influences.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ обнаружения оптических сигналов [10], включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют частоту f₀ пересечения шумом нулевого порога, включают безлавинный режим смещения фотодиода, устанавливают порог срабатывания U на уровне, соответствующем частоте f шумовых срабатываний порогового устройства 1/Т << f << f₀, где Т - время измерения частоты f, увеличивают порог в x₁ раз, фиксируют этот порог, затем, управляя напряжением смещения U_m лавинного фотодиода, устанавливают на нем такой коэффициент лавинного умножения М, при котором частота шумовых превышений порога f_м соответствует заданному значению f_м, установленному для лавинного режима, после чего фиксируют напряжение смещения на этом уровне и повышают порог в х₂ раз до уровня, при котором частота f_p шумовых превышений порога в рабочем режиме соответствует заданным требованиям.The closest to the proposed technical solution is a method for detecting optical signals [10], which includes threshold processing of signals and the formation of output pulses when the signal from the output of the photodiode exceeds a given operating threshold, the frequency f ₀ of noise crossing the zero threshold is preliminarily determined, the avalanche-free mode of photodiode bias is turned on, and the response threshold U at a level corresponding to the noise response frequency f of the threshold device 1/T << f << f ₀ , where T is the time of measurement of frequency f, increase the threshold x ₁ time, fix this threshold, then, controlling the bias voltage U _m avalanche photodiode, set on it such an avalanche multiplication coefficient M, at which the frequency of noise exceeding the threshold f _m corresponds to the specified value f _m set for the avalanche mode, after which the bias voltage is fixed at this level and the threshold is increased x ₂ times to the level at in which the frequency f _p of noise exceeding the threshold in operating mode meets the specified requirements.

Недостатком указанной процедуры является отсутствие возможности определения параметров шума, в том числе постоянного параметра α шум-фактора M^α определяющего оптимальную величину М и необходимого для организации правильного режима обработки смеси сигнала и шума.The disadvantage of this procedure is the inability to determine noise parameters, including the constant parameter α of the noise factor M ^α , which determines the optimal value of M and is necessary for organizing the correct processing mode for a mixture of signal and noise.

Задачей изобретения является оптимизация чувствительности фотоприемных устройств путем оперативного определения шум-фактора приемного тракта без привлечения специального измерительного оборудования и средств его метрологического обеспечения.The objective of the invention is to optimize the sensitivity of photodetectors by quickly determining the noise factor of the receiving path without the use of special measuring equipment and means of its metrological support.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе обнаружения оптических сигналов, включающем пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют частоту f₀ пересечения шумом нулевого порога, поочередно устанавливают коэффициент лавинного умножения фотодиода М на трех уровнях М*=1, M₁>1 и М₂>M₁, устанавливают порог срабатывания U на уровне, при котором частоты f*=f(M*). f₁=f(M₁) и f₂=f(М₂) его превышений выбросами шума в режимах M₁ и М₂ удовлетворяют условию f << f₀, регистрируют значения M₁, М₂, f₁ и f₂, и вычисляют параметр α шум-фактора лавинного умножения F=М^α по формулеThis problem is solved due to the fact that in the known method of detecting optical signals, including threshold processing of signals and the formation of output pulses when the signal from the output of the photodiode exceeds a given operating threshold, the frequency f ₀ of the noise crossing the zero threshold is first determined, and the avalanche multiplication coefficient of the photodiode M is set one by one at three levels M*=1, M ₁ >1 and M ₂ >M ₁ , set the response threshold U at the level at which frequencies f*=f(M*). f ₁ =f(M ₁ ) and f ₂ =f(M ₂ ) its excess by noise emissions in modes M ₁ and M ₂ satisfy the condition f << f ₀ , the values of M ₁ , M ₂ , f ₁ and f ₂ are recorded, and calculate the parameter α of the noise factor of the avalanche multiplication F=M ^α using the formula

после чего устанавливают оптимальный режим обнаружения оптических сигналов с учетом уточненного параметра α. after which the optimal mode for detecting optical signals is established, taking into account the refined parameter α.

Частоты f₁ и f₂ определяют путем подсчета за время измерения Т количества превышений порога выбросами шума N₁=f₁T и N₂=f₂T.Frequencies f ₁ and f ₂ are determined by counting during the measurement time T the number of noise emissions exceeding the threshold N ₁ =f ₁ T and N ₂ =f ₂ T.

Время Т выбирают из условия где х << 1 - коэффициент заданной точности определения N.Time T is selected from the condition where x << 1 is the coefficient of the specified accuracy of determining N.

На фиг. 1 представлена циклограмма способа. На фиг. 2 приведен график величины (α* - α) в зависимости от α. На фиг. 3 - графики зависимости погрешности измерения α от контролируемых параметров процесса. На фиг. 4 показана структура для осуществления способа.In fig. 1 shows a cyclogram of the method. In fig. Figure 2 shows a graph of the value (α* - α) depending on α. In fig. 3 - graphs of the dependence of the measurement error α on the controlled process parameters. In fig. 4 shows a structure for implementing the method.

Предлагаемый способ основан на использовании статистических закономерностей выбросов случайных процессов и заключается в следующем.The proposed method is based on the use of statistical patterns of emissions of random processes and consists of the following.

Предварительно устанавливают порог срабатывания U на уровне, обеспечивающем условие 1/Т<<f<f₀ для всех режимов М*, M₁ и М₂. Определяют частоту f* превышений порога шумовыми выбросами в режиме М*. Подсчитывают количество шумовых превышений порога N=N* за время Т*, удовлетворяющее условию где N(T*)=f*T*, х << 1 - коэффициент заданной точности определения N.The response threshold U is preliminarily set at a level that ensures the condition 1/T<<f<f ₀ for all modes M*, M ₁ and M ₂ . The frequency f* of noise emissions exceeding the threshold in mode M* is determined. The number of noise exceedances of the threshold N=N* is counted during the time T*, satisfying the condition where N(T*)=f*T*, x << 1 is the coefficient of the specified accuracy of determining N.

В момент времени t₁ (фиг. 1) включают режим лавинного умножения M₁. После выхода фотодиода на режим подсчитывают количество шумовых превышений порога N=Ni за время T₁=t₂ - t₁, удовлетворяющее условию В момент времени t₂ включают режим лавинного умножения М₂, и подсчитывают количество N₂ шумовых превышений порога U, за время Т₂=t₂ - t₃, соблюдая то же условие At time t ₁ (Fig. 1) the avalanche multiplication mode M ₁ is turned on. After the photodiode enters mode, the number of noise exceedances of the threshold N=Ni is counted during the time T ₁ =t ₂ - t ₁ , satisfying the condition At time t ₂ , the avalanche multiplication mode M ₂ is turned on, and the number N ₂ of noise exceeding the threshold U is counted, during the time T ₂ =t ₂ - t ₃ , observing the same condition

Имеет место соотношение [12]There is a relation [12]

где f - частота пересечений порога U выбросами нормально распределенного шума;where f is the frequency of crossing the threshold U by emissions of normally distributed noise;

σ² - квадрат среднеквадратического значения (дисперсия) шума;σ ² - squared root mean square value (dispersion) of noise;

- частота пересечения шумом нулевого порога; - frequency of noise crossing the zero threshold;

R(τ) - корреляционная функция шума [12];R(τ) - noise correlation function [12];

Известно [1, 3], что в безлавинном режиме (М=1) квадрат среднеквадратического значения шума а на выходе фотодиодаIt is known [1, 3] that in avalanche-free mode (M=1) the square of the root mean square value of noise a at the photodiode output

где σ₂ и σ_у - соответственно среднеквадратические значения неумножаемой (σ_н) и умножаемой (σ_у) составляющих шума.where σ ₂ and σ _y are respectively the root-mean-square values of the non-multipliable (σ _n ) and multiplyable (σ _y ) noise components.

Параметры f и σ² связаны однозначным соотношением (1), избавляющим от необходимости отдельного измерения этих параметров с помощью громоздкой лабораторной аппаратуры, требующей особых условий эксплуатации и сложного метрологического обеспечения [6-9].The parameters f and σ ² are related by an unambiguous relationship (1), eliminating the need to separately measure these parameters using bulky laboratory equipment that requires special operating conditions and complex metrological support [6-9].

Зная частоты f и f₀, из (1) можно определить отношение порог/шумKnowing the frequencies f and f ₀ , from (1) we can determine the threshold/noise ratio

В лавинном режиме [1]In avalanche mode [1]

где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=М^α, определяемый материалом и структурой фотодиода [3, 6, 10].where α is the parameter of the noise factor of avalanche multiplication F=M ^α , determined by the material and structure of the photodiode [3, 6, 10].

Из (4) и (2):From (4) and (2):

В первом и втором лавинных режимахIn the first and second avalanche modes

ОткудаWhere

И, окончательно, оценка измеряемого параметраAnd, finally, the assessment of the measured parameter

Точное измерение дисперсии σ² низкоуровневого шума представляет сложную и не всегда выполнимую задачу [5-8]. Предлагаемое техническое решение основано на зависимости (1), связывающей дисперсию шума σ² с частотой f превышений порога U выбросами шума [12]. Согласно этой зависимости,Accurate measurement of the dispersion σ ² of low-level noise is a complex and not always feasible task [5-8]. The proposed technical solution is based on dependence (1), connecting the noise dispersion σ ² with the frequency f of noise emissions exceeding the threshold U [12]. According to this dependence,

Подстановка (12)-(14) в (11) позволяет исключить σ² и U, устранив источник ошибки, связанный с малой точностью измерения этих величин, имеющей место при низком уровне шума (и, соответственно, порога).Substituting (12)-(14) into (11) allows us to exclude σ ² and U, eliminating the source of error associated with the low accuracy of measurement of these quantities, which occurs at a low noise level (and, accordingly, the threshold).

При этомWherein

где f*=f(M=1); f₁=f(M₁); f₂=f(M₂). where f*=f(M=1); f ₁ =f(M ₁ ); f ₂ =f(M ₂ ).

Таким образом,Thus,

где Where

Пример 1Example 1

Истинное значение σ=0,5; относительные величины U²=10000; коэффициенты лавинного умножения M₁=20; М₂=40.True value σ=0.5; relative values U ² =10000; avalanche multiplication coefficients M ₁ =20; M ₂ =40.

f*=2865048; f₁=4215963; f₂=7017818;f*=2865048; f ₁ =4215963; f ₂ =7017818;

A=5,656233; оценка A=5.656233; grade

При U²=20000At U ² =20000

f*=820850; f₁ - 1777434; f₂=4924977;f*=820850; f ₁ - 1777434; f ₂ =4924977;

A=5,656233; оценка A=5.656233; grade

Таким образом, при любом уровне порога U среднее значение оценки а совпадает с истинным значением. Это важно для обеспечения необходимой точности измерений.Thus, for any threshold level U, the average value of the estimate a coincides with the true value. This is important to ensure the required measurement accuracy.

Точность определения а по предлагаемому способу в основном определяется погрешностью определения отношения М₂/М_1. The accuracy of determining a using the proposed method is mainly determined by the error in determining the ratio M ₂ /M _1.

Пример 2Example 2

Относительная ошибка измерения отношения М₂/М₁ в условиях приведенного примера составляет ±0,1%. Погрешность определения а при этом не превышает ±0,72%.The relative error in measuring the M ₂ /M ₁ ratio under the conditions of the given example is ±0.1%. The error in determining a does not exceed ±0.72%.

Устанавливать и поддерживать коэффициент лавинного умножения М можно с помощью источника эталонного излучения [15]. Отношение M₂/M₁ стабилизируется этим методом с любой необходимой точностью, поскольку при определении отношения компенсируется систематическая погрешность эталонного источника излучения и схемы стабилизации. В этом случае источник излучения не оказывает влияния на точность, а эталонный уровень задается опорным напряжением, оптическим или электрическим ослабителем [16], с высокой точностью передающим заданное значение.The avalanche multiplication coefficient M can be established and maintained using a reference radiation source [15]. The ratio M ₂ /M ₁ is stabilized by this method with any required accuracy, since when determining the ratio, the systematic error of the reference radiation source and the stabilization circuit is compensated. In this case, the radiation source does not affect the accuracy, and the reference level is set by a reference voltage, optical or electrical attenuator [16], which transmits the specified value with high accuracy.

Квадрат нормированного отношения сигнал/шум Squared normalized signal-to-noise ratio

Обратная η² величина (квадрат отношения шум/сигнал)Reverse η ² value (squared noise/signal ratio)

Производная этой величиныThe derivative of this quantity

Минимум отношения шум/сигнал обеспечивается при dW/dM=0.The minimum noise/signal ratio is ensured at dW/dM=0.

Условие максимума η² выполняется приThe maximum condition for η ² is satisfied when

Для данных примера 1: М_опт=48.For example 1 data: M _opt =48.

Пример 3Example 3

Среднее значение α_ср=0,5; относительные величины коэффициенты лавинного умножения M₁=47; М₂=49; частота f₀=10⁷ 1/с, U²=40000 относительных единиц.Average value α _av =0.5; relative values avalanche multiplication coefficients M ₁ =47; M ₂ =49; frequency f ₀ =10 ⁷ 1/s, U ² =40000 relative units.

Частоты f₁=3517952 1/с; f₂=3824280 1/с; f*=67464 1/с.Frequencies f ₁ =3517952 1/s; f ₂ =3824280 1/s; f*=67464 1/s.

Погрешность оценки α зависит от разности α - α_ср. В таблице 1 приведены результаты расчета оценки α* в зависимости от истинного значения α.The error in estimating α depends on the difference α - α _avg . Table 1 shows the results of calculating the estimate α* depending on the true value of α.

График отклонения оценки (α* - α) в зависимости от аα приведен на фиг. 2. Видно, что абсолютная систематическая погрешность растет по мере отклонения фактического значения а от средней величины, однако величина этой погрешности незначительна.A graph of the deviation of the estimate (α* - α) depending on aα is shown in Fig. 2. It can be seen that the absolute systematic error increases as the actual value a deviates from the average value, but the magnitude of this error is insignificant.

На фиг. 3 представлены графики погрешности δа измерения а в зависимости от порога U при α_ср=0,5, М_опт=48, номинальных значениях M₁=20, М₂=50 и при отклонении результатов определения параметров f₁, f₂ и M₂/M₁ на 0,1%. Приведенные зависимости отражают влияние наиболее существенных источников погрешности и позволяют сделать следующие замечания:In fig. Figure 3 shows graphs of the error δa of measurement a depending on the threshold U at α _av = 0.5, M _opt = 48, nominal values M ₁ = 20, M ₂ = 50 and when the results of determining the parameters f ₁ , f ₂ and M ₂ deviate /M ₁ by 0.1%. The given dependencies reflect the influence of the most significant sources of error and allow us to make the following comments:

а) самый большой вклад в погрешность δа дает ошибка определения отношения M₂/M_i, причем, этот вклад не зависит от порогового уровня U;a) the largest contribution to the error δa comes from the error in determining the ratio M ₂ /M _i , and this contribution does not depend on the threshold level U;

б) составляющие погрешности, обусловленные неточностью определения частот F, f₀, f₁ и f₂ убывают с ростом порога U, откуда следуют рекомендации по соответствующему выбору порога;b) the error components due to the inaccuracy in determining the frequencies F, f ₀ , f ₁ and f ₂ decrease with increasing threshold U, from which recommendations for the appropriate choice of threshold follow;

в) составляющие δ(f₁) и δ(f₂) разнонаправлены и могут взаимно компенсироваться;c) components δ(f ₁ ) and δ(f ₂ ) are oppositely directed and can be mutually compensated;

г) другие величины, входящие в соотношение (15), меньше влияют на точность, причем ошибки от погрешности определения f₀ и f* также убывают с ростом порога U и имеют разный знак.d) other quantities included in relation (15) have less influence on the accuracy, and the errors from the error in determining f ₀ and f * also decrease with increasing threshold U and have different signs.

Измерение а производят в следующем порядке.Measurement a is carried out in the following order.

1. Предварительно определяют и запоминают среднюю частоту шумовых пересечений нуля f₀.1. The average frequency of noise zero crossings f ₀ is preliminarily determined and stored.

2. Выбирают диапазон частот f*…f_м так, чтобы в нижней границе этого диапазона соблюдалось условие [14]2. Select the frequency range f*…f _m so that at the lower limit of this range the condition [14] is met

где Т - время измерения частоты f*;where T is the frequency measurement time f*;

N* - минимальное количество шумовых превышений порога за время Т, при котором выполняется условие (23).N* is the minimum number of noise threshold exceedances during the time T at which condition (23) is satisfied.

Пример 4Example 4

По результатам предыдущего примера частота f*=67464 1/с, следовательноAccording to the results of the previous example, frequency f*=67464 1/s, therefore

Т=N*/F≥10000/67464=0,15 сек.T=N*/F≥10000/67464=0.15 sec.

3. Устанавливают порог срабатывания на уровне U, обеспечивающем заданную частоту f* при М=1.3. Set the response threshold at the level U, providing the specified frequency f* at M=1.

4. Поочередно включают лавинные режимы M₁ и М₂ в рабочем диапазоне, например, в окрестности оптимального значения М_опт (см. Пример 3).4. Alternately turn on the avalanche modes M ₁ and M ₂ in the operating range, for example, in the vicinity of the optimal value of M _opt (see Example 3).

5. В каждом из режимов M₁ и М₂ определяют частоты f₁ и f₂ превышения шумовыми выбросами порога U.5. In each of the modes M ₁ and M ₂ , the frequencies f ₁ and f ₂ of noise emissions exceeding the threshold U are determined.

6. Определяют параметр а по формуле (15).6. Determine parameter a using formula (15).

Определение частоты как отношения N/T с одной стороны обеспечивает простоту реализации способа, поскольку сводит эту процедуру к подсчету количества выбросов N за эталонное время Т. Обе эти операции реализуются простыми серийными средствами микроэлектроники, в том числе, в составе миниатюрных фотоприемных устройств, работающих в портативной аппаратуре, применяемой в широких эксплуатационных условиях. С другой стороны, эти операции выполняются с высокой цифровой точностью и имеют простое и органичное метрологическое обеспечение без привлечения аналоговых средств, требующих специальных эксплуатационных ограничений и регулярной калибровки.Determining frequency as the ratio N/T, on the one hand, ensures ease of implementation of the method, since it reduces this procedure to calculating the number of emissions N during a reference time T. Both of these operations are implemented by simple serial microelectronics, including as part of miniature photodetector devices operating in portable equipment used in wide operating conditions. On the other hand, these operations are performed with high digital accuracy and have simple and organic metrological support without the use of analogue means that require special operating restrictions and regular calibration.

Способ осуществляется в системе фотоприемного устройства и может применяться при проведении научных исследований, проектировании и производстве аппаратуры переключением работы фотоприемного устройства из штатного режима приема сигналов в режим контроля шум-фактора согласно данному способу.The method is carried out in the photodetector system and can be used in scientific research, design and production of equipment by switching the operation of the photodetector from the normal mode of signal reception to the noise factor control mode according to this method.

Возможный вариант измерительной структуры по предлагаемому способу (фиг. 4) содержит проверяемый лавинный фотодиод 1, выход которого через усилитель 2 и эталонный ослабитель 3 подключен к входам порогового датчика частоты 4 и датчика лавины 5. Выходы датчиков связаны с преобразователем данных 6, подключенным к блоку управления лавиной 7 и решающему устройству 8, также связанному с блоком управления лавиной, управляющим режимом лавинного фотодиода 1. Результаты обработки данных с выхода решающего устройства поступают на оконечное устройство 9, осуществляющее вывод результатов. Работа перечисленных блоков управляется программным устройством 10. С лавинным фотодиодом оптически связан опорный излучатель 11 со схемой питания 12.A possible variant of the measuring structure according to the proposed method (Fig. 4) contains a testable avalanche photodiode 1, the output of which, through an amplifier 2 and a reference attenuator 3, is connected to the inputs of a threshold frequency sensor 4 and an avalanche sensor 5. The sensor outputs are connected to a data converter 6 connected to the block avalanche control 7 and a decision device 8, also connected to an avalanche control unit that controls the mode of avalanche photodiode 1. The results of data processing from the output of the solver are sent to the terminal device 9, which outputs the results. The operation of the listed blocks is controlled by a software device 10. A reference emitter 11 is optically connected to the avalanche photodiode with a power circuit 12.

Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.

По команде с программного устройства 10 на блок управления лавиной 7 устанавливается режим М=1 фотодиода 1 и открывается эталонный ослабитель 3. Шум фотодиода, усиленный усилителем 2, поступает на пороговый датчик частоты 4, и результат измерения f* через преобразователь данных 6 передается в цифровой форме в решающее устройство 8. Затем по команде программного устройства в момент времени t₁ (фиг. 1) на блок управления лавиной 7 последний устанавливает лавинный режим M₁ по данным с датчика лавины 5, измеряющего уровень сигнала от опорного излучателя 11, и датчик частоты определяет в этом режиме частоту f₁ превышения порога выбросами шума, аналогично f* поступающую в решающее устройство. В момент времени t₂ по команде с программного устройства включается ослабление К эталонного ослабителя 3, уменьшающего коэффициент передачи тракта в К=М₂/М₁ раз. По данным с датчика лавины 5 блок управления лавиной 7 устанавливает такой режим фотодиода 1, при котором уровень сигнала от опорного излучателя равен уровню в режиме M₁. Тем самым, устанавливается лавинный режим М₂, после чего программное устройство открывает эталонный ослабитель 3, датчик частоты определяет частоту выбросов шума f₂ и передает этот результат в решающее устройство 8, по этим данным вычисляющее величину α по формуле (15). Результат вычисления выдается в оконечное устройство 9.Upon command from the software device 10 to the avalanche control unit 7, the M=1 mode of the photodiode 1 is set and the reference attenuator 3 is opened. The noise of the photodiode, amplified by the amplifier 2, is supplied to the threshold frequency sensor 4, and the measurement result f* is transmitted to a digital one through the data converter 6 form into the decision device 8. Then, at the command of the software device at time t ₁ (Fig. 1), the avalanche control unit 7 sets the avalanche mode M ₁ according to data from the avalanche sensor 5, which measures the signal level from the reference emitter 11, and the frequency sensor In this mode, it determines the frequency f ₁ of noise emissions exceeding the threshold, similar to f* entering the decision device. At time t ₂ , upon command from the software device, the attenuation K of the reference attenuator 3 is turned on, reducing the transmission coefficient of the path by K=M ₂ /M ₁ times. According to data from the avalanche sensor 5, the avalanche control unit 7 sets the photodiode 1 mode in such a way that the signal level from the reference emitter is equal to the level in mode M ₁ . Thus, the avalanche mode _M2 is established, after which the software device opens the reference attenuator 3, the frequency sensor determines the frequency of noise emissions _f2 and transmits this result to the decision device 8, using these data to calculate the value of α using formula (15). The calculation result is output to the terminal device 9.

Данным методом коэффициент лавинного умножения M₁ устанавливается в относительно широких разрешенных пределах (см. фиг. 3), а заданное отношение М₂/М₁ поддерживается с весьма высокой точностью, определяемой точностью воспроизведения коэффициента К эталонного ослабителя 3 (фиг. 4).With this method, the avalanche multiplication coefficient M ₁ is set within relatively wide permitted limits (see Fig. 3), and the given ratio M ₂ /M ₁ is maintained with very high accuracy, determined by the accuracy of the reproduction coefficient K of the reference attenuator 3 (Fig. 4).

Аналоговые процедуры способа не содержат нелинейных функциональных преобразований, для реализации которых требуются сложные устройства с надежной воспроизводимостью и стабильностью, а также сложным метрологическим обеспечением.Analog procedures of the method do not contain nonlinear functional transformations, the implementation of which requires complex devices with reliable reproducibility and stability, as well as complex metrological support.

Устройства, реализующие способ, обладают минимальным временем выхода на рабочий режим. Способ может быть реализован в штатном составе фотоприемного устройства, то есть именно в той структуре, которая подлежит исследованию.Devices that implement the method have a minimum time to reach operating mode. The method can be implemented in the standard composition of the photodetector, that is, in exactly the structure that is subject to research.

Таким образом, способ обеспечивает решение поставленной задачи - оптимизацию чувствительности фотоприемных устройств путем оперативного определения шум-фактора приемного тракта без привлечения специального измерительного оборудования и средств его метрологического обеспечения.Thus, the method provides a solution to the problem posed - optimization of the sensitivity of photodetectors by quickly determining the noise factor of the receiving path without the use of special measuring equipment and means of its metrological support.

Источники информацииInformation sources

1. И.Д. Анисимова и др. Под ред. В.И. Стафеева. Полупроводниковые фотоприемники приемники. Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. - М.: Радио и связь, 1984 г. - 216 с.1. I.D. Anisimova and others. Ed. IN AND. Stafeeva. Semiconductor photodetectors and receivers. Ultraviolet, visible and near infrared spectrum ranges. - M.: Radio and communications, 1984 - 216 p.

2. Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1989. - С. 340.2. Gower J. Optical communication systems: Trans. from English - M.: Radio and Communications, 1989. - P. 340.

3. Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды. Москва, Физматгиз. 2011, - С. 201-209.3. Filachev A.M., Taubkin I.I., Trishenkov M.A. Solid-state photoelectronics. Photodiodes. Moscow, Fizmatgiz. 2011, - pp. 201-209.

4. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения. Патент РФ №2248670.4. Device for switching on an avalanche photodiode in the optical radiation receiver. RF patent No. 2248670.

5. Насонов B.C. Справочник по радиоизмерительным приборам. - М.: Советское радио, 1976, т. 1., -234 с.5. Nasonov V.S. Handbook of radio measuring instruments. - M.: Soviet radio, 1976, vol. 1., -234 p.

6. Усков А.А. Измерение фактора избыточного шума лавинного фотодиода. ФГАО УВО «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет», Новосибирск, 2016.6. Uskov A.A. Measuring the excess noise factor of an avalanche photodiode. FGAO HEI "Novosibirsk National Research State University", Novosibirsk, 2016.

7. Яковлева Н.И. и др. Исследование фотодиодных лавинных элементов матричных фотоприемных устройств на основе гетероэпитаксиальных структур InGaAs. Успехи прикладной физики, 2014, том 2, №4., - С. 374-382.7. Yakovleva N.I. et al. Study of photodiode avalanche elements of matrix photodetector devices based on heteroepitaxial InGaAs structures. Advances in Applied Physics, 2014, volume 2, no. 4., pp. 374-382.

8. Останин С.А. Метод измерения малых значений дисперсии белого шума в смеси с гармоническим сигналом. Известия алтайского государственного университета. 2011, №1, С. 174-175.8. Ostanin S.A. A method for measuring small values of white noise dispersion mixed with a harmonic signal. News of the Altai State University. 2011, no. 1, pp. 174-175.

9. Степанов А.В. Электрические шумы. Спецпрактикум кафедры физики колебаний физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, 2003. - С. 17-22.9. Stepanov A.V. Electrical noise. Special workshop of the Department of Physics of Oscillations, Faculty of Physics, Moscow State University. M.V. Lomonosov, 2003. - pp. 17-22.

10. Способ обнаружения оптических сигналов. Патент РФ №2755601 - прототип.10. Method for detecting optical signals. RF patent No. 2755601 - prototype.

11. Вильнер В. Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. - Оптико-механическая промышленность, 1984, №5, - С. 39-41.11. Vilner V. G. Design of threshold devices with noise threshold stabilization. - Optical-mechanical industry, 1984, No. 5, pp. 39-41.

12. Тихонов В.И. Выбросы случайных процессов. ГРФМЛ, 1970, - С. 392.12. Tikhonov V.I. Emissions of random processes. GRFML, 1970, - P. 392.

13. Способ порогового приема оптических сигналов. Патент РФ №2756384.13. Method of threshold reception of optical signals. RF patent No. 2756384.

14. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. «В.Ш.», 1977.14. Gmurman V.E. Theory of Probability and Mathematical Statistics. "V.Sh.", 1977.

15. Фотоприемное устройство. А.с. СССР №1679212.15. Photodetector device. A.s. USSR No. 1679212.

16. Способ порогового обнаружения оптических сигналов. Пат. РФ №2755602.16. Method of threshold detection of optical signals. Pat. RF No. 2755602.

Claims (3)

1. Способ обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, отличающийся тем, что предварительно определяют частоту f₀ пересечения шумом нулевого порога, поочередно устанавливают коэффициент лавинного умножения фотодиода М на трех уровнях М*=1, M₁>1 и М₂>M₁, устанавливают порог срабатывания U на уровне, при котором частоты f*=f(M*), f₁=f(M₁) и f₂=f(M₂) его превышений выбросами шума в режимах M₁ и М₂ удовлетворяют условию f<<f₀, регистрируют значения M₁ М₂, f₁ f₂ и вычисляют параметр α шум-фактора лавинного умножения F=М^α по формуле после чего устанавливают оптимальный режим обнаружения оптических сигналов с учетом уточненного параметра α.1. A method for detecting optical signals using an avalanche photodiode, including threshold processing of signals and the formation of output pulses when the signal from the output of the photodiode exceeds a given operating threshold, characterized in that the frequency f ₀ of noise crossing the zero threshold is first determined, and the avalanche multiplication coefficient of the photodiode M is set in turn at three levels M*=1, M ₁ >1 and M ₂ >M ₁ , set the response threshold U at the level at which frequencies f*=f(M*), f ₁ =f(M ₁ ) and f ₂ = f(M ₂ ) of its excess by noise emissions in modes M ₁ and M ₂ satisfy the condition f<<f ₀ , record the values of M ₁ M ₂ , f ₁ f ₂ and calculate the parameter α of the noise factor of the avalanche multiplication F=M ^α using the formula after which the optimal mode for detecting optical signals is established, taking into account the refined parameter α. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоты f₁ и f₂ определяют путем подсчета за время измерения Т количества превышений порога выбросами шума N₁=f₁T и N₂=f₂T.2. The method according to claim 1, characterized in that the frequencies f ₁ and f ₂ are determined by counting during the measurement time T the number of noise emissions exceeding the threshold N ₁ =f ₁ T and N ₂ =f ₂ T. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что время Т выбирают из условия где ϰ<< 1 - коэффициент заданной точности определения N.3. Method according to claim 2, characterized in that time T is selected from the condition where ϰ<< 1 is the coefficient of the specified accuracy of determination N.

Images