Фотоприймальний пристрій підвищеної надійності та тривкості до фонової освітленості для FSO
The exchange of information signals using optical channels is one of the main directions of development of modern telecommunication systems. Such communication channels include, in particular, the rapidly developing free space optical (FSO) technology. Since such communication is carried out in the...
Gespeichert in:
| Datum: | 2025 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
2025
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.45 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Technology and design in electronic equipment |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Technology and design in electronic equipment| _version_ | 1868203846118932480 |
|---|---|
| author | Lipka, Volodymyr Dobrovolsky, Yurii |
| author_facet | Lipka, Volodymyr Dobrovolsky, Yurii |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Volodymyr Lipka",
"institution": "Rhythm optoelektronics shareholding company; Yurii Fedkovych Chernivtsi National University, Chernivtsy, Ukraine"
},
{
"author": "Yurii Dobrovolsky",
"institution": "Yurii Fedkovych Chernivtsi National University, Chernivtsy, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Lipka, Volodymyr |
| baseUrl_str | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-06-16T12:23:35Z |
| description | The exchange of information signals using optical channels is one of the main directions of development of modern telecommunication systems. Such communication channels include, in particular, the rapidly developing free space optical (FSO) technology. Since such communication is carried out in the open air, it is necessarily affected by optical interference, which is mainly created by solar radiation. Therefore, in FSO conditions, the issue of counteracting background illumination created by sunlight becomes relevant. It is capable of generating a large photocurrent of a photodiode that receives a useful optical signal. The question arises of how to filter the useful signal, which is transmitted at a certain wavelength (in our case, it is 980 nm), from the background signal of optical interference, which can suppress the useful monochromatic signal. This is especially important when the spectral ranges of sensitivity of the photodetector and the source of optical interference overlap. Therefore, the purpose of the research and development was to create a design of a background-resistant photo-receiving device (PRD), operating at a wavelength of 980 nm, under the conditions of illumination of the photodiode by solar radiation. To achieve the specified goal, a study of known technical solutions was conducted, which showed that the optimal design should be one that uses optical and electronic methods. In addition, the possibility of tracking the useful signal was shown, taking into account the time during which the photodetector reacts to irradiation of the working wavelength. Namely, the growth time of the photodetector. Thus, the counteraction to the background illumination of the photodetector consists in a combination of an optical cut-off light filter, an automatic gain control circuit that compensates for the component of the photocurrent caused by the constant frequency composition characteristic of solar radiation, as well as an algorithm for selecting the useful signal based on the growth time of the photodiode at the working wavelength. This selection, as well as the general operation of the PRD, is carried out and controlled using specialized software, which is loaded into the corresponding microcontroller. Studies of the created PRD have shown that it is resistant to background solar radiation of power up to 17 mW. A study of the reliability of the PRD and software has been conducted. The reliability of the PRD is at least 500 hours of operation. The probability of failure-free operation of the software in the operating interval from 0 to 10 hours is at least 0.98. |
| doi_str_mv | 10.15222/TKEA2025.1-2.45 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:30:50Z |
| format | Article |
| fulltext |
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 2 45ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
1
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
УДК 535.23:621.383.52:546.28:004.9
Володимир ЛІПКА1,2, Юрій ДОБРОВОЛЬСЬКИЙ2
Україна, м. Чернівці, 1Центральне конструкторське бюро «Ритм»,
2Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича
E-mail: lipka.volodymyr@chnu.edu.ua; y.dobrovolsky@chnu.edu.ua
ФОТОПРИЙМАЛЬНИЙ ПРИСТРІЙ ПІДВИЩЕНОЇ НАДІЙНОСТІ
ТА ТРИВКОСТІ ДО ФОНОВОЇ ОСВІТЛЕНОСТІ ДЛЯ FSO
Забезпечення обміну інформаційними сигнала-
ми між оптичними каналами є одним з основних на-
прямків розвитку сучасних телекомунікаційних сис-
тем. Зокрема це стосується технології FSO (free space
optics — вільний оптичний простір) [1, 2]. Ця техноло-
гія забезпечує бездротовий високошвидкісний зв’язок
у відкритому повітряному просторі. Відстань, на якій
забезпечується стійкий зв’язок, досягає 8 км при швид-
кодії до 10 Гбіт/с за умови прямої видимості між ви-
промінювачем та приймачем [3]. Але при цьому від-
критий оптичний канал забезпечує не лише переда-
чу оптичного випромінювання з робочою довжиною
хвилі, оскільки у цьому каналі існує фонове освітлен-
ня, вдень — це сонячне випромінювання, потужність
якого може бути набагато вища за потужність вимі-
рюваного корисного інформаційного сигналу. В цьо-
му випадку маємо класичний випадок оптичних за-
вад, які спотворюють інформацію, що передається.
Оптичний сигнал приймається фотодіодом, чутли-
вим у спектральному діапазоні 0,8 – 1,0 мкм, а саме,
як у випадку, розглянутому нами раніше у [4], до
дов жини хвилі λ = 980 нм.
Метою цієї роботи було створення конструкції фо-
топриймального пристрою (ФПП), тривкого до фо-
нового освітлення сонячним випромінюванням на
дов жини хвилі 980 нм, для роботи у телекомуніка-
ційній сфері, зокрема FSO.
Аналіз існуючих способів протидії фоновому
випромінюванню
Розглянемо існуючі методи забезпечення працез-
датності фотодіода як детектора оптичного випро-
мінювання, що переносить інформаційний си гнал в
умовах фонової освітленості, зокрема сонячної.
В умовах технології FSO (вільного оптичного простору) актуальним є питання протидії створюваному сонячним
світлом фоновому освітленню, здатному згенерувати великий фотострум фотодіода, який може придушити корис-
ний монохроматичний сигнал. У цій роботі пропонується конструкція надійного та тривкого до фонової освітле-
ності фотоприймального пристрою, що працює на довжини хвилі 980 нм, в умовах освітлення сонячним випроміню-
ванням потужністю до 17 мВт. Протидія фотоприймача фоновому освітленню полягає у комбінації оптичного від-
різального фільтра, схеми автоматичного регулювання підсилення та алгоритму відбору корисного сигналу за час
зростання фотоструму фотодіода на робочій довжині хвилі.
Ключові слова: фотоприймальний пристрій, фонова освітленість, фотодіод, надійність, тривкість, автоматичне
регулювання підсилення, корисний сигнал, алгоритм відбору.
Існують три групи методів розв’язання зазна-
ченої проблеми, які варто об’єднати для досягнен-
ня мети, а саме — розроблення завадостійких фо-
тодіодів [5], оснащених оптичними фільтрами [6,
7], причому фотосигнал має оброблятися за допо-
могою схем автоматичного регулювання підсилен-
ня (АРП), а уся конструкція керуватися мікрокон-
тролером, робота якого організована методами про-
грамної інженерії [8].
В нашому випадку розглядаємо довжину хви-
лі 980 нм, яка є поширеною серед систем FSO.
Оптимальними детекторами на цій довжині хви-
лі є p–i–n-фотодіоди на основі кремнію [3]. У та-
кого фотодіода має бути висока чутливість до ро-
бочої довжини хвилі та мінімальна чутливість за
її межами.
Серед відомих технічних рішень тут можна за-
значити описане, наприклад, у [9]: прошарок тонкої
плівки Ce – WO3 між металічним контактом з міді та
кремнієм, що сприяє кращому поглинанню й збіль-
шенню чутливості, дозволив забезпечити її величину
на рівні 20,61 мА/Вт. Однак така чутливість не є
достатньою. Оптимізація технологічних процесів
дозволяє досягти імпульсної струмової монохрома-
тичної чутливості 0,41 – 0,44 А/Вт на довжині хвилі
λ = 1064 нм [10]. Такий результат є наближеним до
теоретичної межі. Qiuyue Wu з колегами [11] демон-
струє конструкцію фотодетектора на базі сполуки
Au/Si/Ag з асиметричними переходами Шотткі, поєд-
наними з асиметричними контактами. Така конструк-
ція має чутливість до випромінювання з λ = 980 нм
близько 424,3 мА/Вт при нульовому зміщенні.
А у [12] шляхом поєднання структурованої поверх-
ні з оптимізованою імплантованою сполукою до-
DOI: 10.15222/TKEA2025.1-2.45
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 246 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
2
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
сягнуто чутливості 0,15 – 0,30 А/Вт на довжині хви-
лі 200 – 1000 нм відповідно. Але якщо таке значення
прийнятне для ультрафіолетової (УФ) області спек-
тра, то для інфрачервоної (ІЧ) це є замалим.
Тобто очевидно, що існують технології, які під-
вищують чутливість фотодіодів, призначених для ро-
боти у ближній ІЧ-області спектра оптичного випро-
мінювання. Але в нашому випадку необхідно ство-
рити конструкцію фотодіода з підвищеною стру-
мовою монохроматичною чутливістю та зменше-
ним часом зростання фотоструму на довжини хвилі
980 нм. Кращим рішенням, на нашу думку, є опти-
мізація конструкції фотодіода з урахуванням особли-
востей його роботи, як це було зроблено нами рані-
ше при створенні фотодіодів для роботи на довжині
хвилі 1,06 мкм [13].
Підвищити ефективність фільтрації корисного
сигналу від фонових оптичних завад можуть схемно-
технічні рішення. Для цього є схеми, що забезпечу-
ють зменшення шуму фотоприймача, коли він зу-
мовлений фоновим випромінюванням. Так, у [14]
для мінімізації шуму використовується схема керу-
вання вихідним струмом фотоприймача, яка має зво-
ротний зв’язок із вхідним сигналом. Ще одне рішен-
ня запропоновано у [15], де за допомогою вбудова-
них компараторів та логічної схеми поза приймачем
отримують сигнал із частотою, пропорційною рів-
ню фонового світла.
Описані схемні рішення загалом називають схе-
мами автоматичного регулювання підсилення (АРП)
[16]. Їх використовують у медичній техніці [17, 18],
системах зв’язку [19, 20]. Особливість АРП полягає
у регулюванні коефіцієнта підсилення вихідного
фотосигналу, що дозволяє як регулювати динамічний
діапазон фотоприймача, так і фіксувати корисний
сигнал із певною частотою, пропорційною рівню
оптичного сигналу [21]. Зокрема, у [22] показано,
що для застосування фотодіода у схемі АРП потріб-
но враховувати як його динамічний діапазон, так і
частотні характеристики попереднього підсилювача.
Ці характеристики потрібно звести до значень, за
яких фонове випромінювання можна вивести за межі
робочої частоти.
Також слід зазначити, що для збільшення точ-
ності вимірювання та підвищення надійності робо-
ти такої схеми варто автоматизувати процес вимірю-
вання за допомогою мікроконтролера з відповідним
програмним забезпеченням, як це реалізовано у [23,
24]. Раніше нами був розроблений алгоритм проти-
дії фоновій освітленості підвищеної надійності для
вимірювання енергетичної освітленості, створюва-
ного бактерицидним опромінювачем [25] на довжи-
ні хвилі 254 нм.
Схема конструкції ФПП з фільтрацією
фотоструму, генерованого фоновим
випромінюванням
Відомо, що оптичне випромінювання поглина-
ється у напівпровідникових матеріалах на різній гли-
бині [26]. При цьому чим більше довжина хвилі ви-
промінювання, тим більшою є глибина його погли-
нання, тобто короткохвильове випромінювання гене-
рує неосновні носії заряду, що роблять свій внесок у
фотострум, з приповерхневого шару, а більш довго-
хвильове — з шару на більшій глибині.
Згідно із запропонованою у [25] моделлю, більш
довгохвильовому випромінюванню потрібно біль-
ше часу для проникнення на більшу глибину у на-
півпровідник і, відповідно, більше часу на генерацію
неосновних носіїв заряду для фотоструму. Ця різниця
не є великою, лише 7 нс для λ = 254 нм та λ = 550 нм,
що відповідає частоті приблизно 5 ГГц. Дослідження
було проведено на фотодіоді ФД-288, призначеному
для вимірювання УФ- та видимого випромінювання.
Надалі ці дослідження були продовжені для випромі-
нювання з довжиною хвилі 980 нм на базі фотодіо да
УФД-15М [27], який є досить чутливим у ближній
ІЧ-області спектра. На рис. 1 для порівняння наве-
дено відносні спектральні характеристики обох цих
фотодіодів.
Також відомо, що фотострум має певний час зро-
стання, тобто час, за який усі згенеровані опроміню-
ванням носії заряду потраплять до р–n-переходу та
викличуть фотострум у зовнішньому колі. Цей час ви-
значається тим, як глибоко проникає промінь світла
в об’єм напівпровідника. Час зростання фотоструму
фотодіода УФД-15М на довжині хвилі 980 нм скла-
дає близько 50 нс при зміщенні на р–n-переході до
120 В, як це показано на рис. 2.
Сучасна цифрова техніка може працювати з таки-
ми значеннями часу при використанні відповідного
програмного забезпечення, яке дозволяє фіксувати
фотострум, зумовлений оптичним випромінюванням
з довжиною хвилі більш як 980 нм, лише у пе ріод пер-
ших 50 нс, після чого схема оброблення фотосигналу
Рис. 1. Усереднена спектральна характеристика чутливості
серійних фотодіодів УФД-15М (1) та фотодіода ФД-288 (2)
Sλ/Sλmax
0,8
0,6
0,4
0,2
0
400 600 800 1000 1200
λ, нм
1
2
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 2 47ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
3
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
Рис. 2. Час зростання τ фотоструму фотодіода УФД-15М
на довжині хвилі 980 нм:
Іф — фотострум, генерований оптичним випромінюванням;
h — глибина, на якій поглинається це випромінювання
(залежить від певної довжини хвилі)
Іф, А
0,9
0,1
τ, нс
h, мкм
50
має ігнорувати фотострум, який генерується надалі.
Але при цьому лишається питання генерації фото-
струму більш короткохвильовим випромінюванням,
з яким схема відсічки фотоструму за часом зростан-
ня не впорається. У зв’язку з цим було проведено до-
слідження впливу оптичного фільтра на фотосигнал,
генерований фотодіодом УФД-15М при λ < 980 нм.
Було використано світлофільтр зі скла ИКС7 товщи-
ною 4 мм, який пропускає оптичне випромінюван-
ня у діапазоні λ ≈ 800 – 4800 нм. Таким чином, об-
ласть спектральної чутливості фотодіода звузилася
до 800 – 1100 нм, чого цілком достатньо для вимірю-
вання оптичного випромінювання з дов жиною хви-
лі 980 нм. При цьому величина фонового фотостру-
му зменшилася на 60%.
Таким чином вдається зменшити вплив сонячно-
го фонового світла на роботу фотодіода у спектраль-
них діапазонах від 400 до 800 нм та понад 980 нм.
Залишається ділянка від 800 до 980 нм, де соняч-
не світло може вплинути на роботу фотодіода. Цей
вплив можна нівелювати за допомогою схеми АРП,
наведеної на рис. 3.
Рис. 4. Блок-схема конструкції ФПП:
1 — оптичний фільтр ІКС-7; 2 — фотодіод; 3 — схема АРП;
4 — мікроконтролер; 5 — вимірювач фотоструму протягом
часу зростання (50 нс); 6 — блок керування мікроконтро-
лером
1 2 3 4 5
6 Корисний
сигнал
ФПП
Рис. 5. Видалення фонової складової фотоструму фото-
діо да за допомогою оптичного фільтра ІКС-7, відбору сиг-
налу протягом часу зро стання фотоструму τ та схеми АРП
Sλ/Sλmax
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
400 600 800 1000 λ, нм
Відсічка
за τ
Фільтр
ІКС-7
Відбір “фону” АРП
Рис. 3. Блок-схема ФПП з АРП, стійкого до немодульова-
ного фонового випромінювання:
1 — фотодіод; 2 — перетворювач струм-напруга; 3 — дже-
рело струму, кероване напругою; 4 — фільтр високої часто-
ти; 5 — технологічний каскад для вимірювання струму ком-
пенсації
Uвих — вихідна напруга ФПП; Uкомп — напруга, пропорцій-
на струму компенсації; R — обмежувальний резистор стру-
му компенсації фотодіода
5
ФД
4 3
2
1
R
Вихід ФПП
(Uвих)
Uкомп
Схема працює таким чином. Фотодіод 1 погли-
нає оптичне випромінювання (яке пройшло скрізь
оптичний фільтр ІКС-7 і є більш довгохвильовим,
ніж фільтр сприймає) та генерує фотострум, пере-
творюваний у напругу Uвих на виході ФПП перетво-
рювачем струм-напруга 2. Перетворювач 2 має зво-
ротний зв’язок, який містить джерело струму, ке-
роване напругою 3, та високочастотний фільтр 4
(RC-фільтр). Фільтр 4 за допомогою джерела стру-
му 3 відсікає фотострум, обумовлений фоновим ви-
промінюванням, яке має інший частотний склад по-
рівняно із частотним складом робочої частоти. Таким
чином, струм компенсації Iкомп, генерований на ви-
ході джерела струму 5, еквівалентний струму, який
створюється фоновим випромінюванням (не у робо-
чому частотному діапазоні). Цей струм віднімається
від загального фотоструму, що генерується фотоді-
одом 1. Струм компенсації Iкомп вимірюється техно-
логічним каскадом 5.
Отже, остаточна блок-схема конструкції ФПП ви-
глядає так, як це показано на рис. 4, а принцип її ро-
боти продемонстровано на рис. 5.
Роботу фотодіода з фільтром ІКС-7 та АРП про-
демонстровано вище. Мікроконтролер забезпечує
відбір фотосигналу з λ = 980 нм, виміряного за 50 нс
(час повного поглинання).
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 248 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
4
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
Дослідження тривкості запропонованої
конструкції ФПП і надійності схеми
та програмного забезпечення
Дослідження фотоприймального пристрою на
тривкість до фонового сонячного опромінювання
показало, що запропонована конструкція забезпечує
компенсацію оптичної потужності, еквівалентну по-
тужності до 17 мВт.
У рамках досліджень було також проведено ви-
пробування на надійність розробленої схеми та про-
грамного забезпечення (ПЗ) для мікроконтролера,
а саме — випробування на безвідмовність ФПП та
на ймовірність безвідмовної роботи ПЗ.
Випробування ФПП тривали 500 годин в умовах
його опромінення потоком світла з робочою довжи-
ною хвилі 980 нм. При цьому кожні 125 годин на-
працювання вимірювалася вольтова монохроматич-
на чутливість ФПП у вигляді її відхилення від нор-
ми (5∙104 В/Вт) протягом часу випробувань. За час
випробувань відмов не спостерігалося.
Дослідження надійності розробленого ПЗ для
мікроконтролера здійснювалося відповідно до мо-
делі Шумана [28]. Оцінювалося значення початко-
вої кількості помилок у програмному коді при за-
гальній кількості операторів, що не перевищувала
10 000. Результати показали, що кількість помилок
у ПЗ, яке управляє відбором фотосигналу за часом,
а також роботою системи вимірювання загалом, до-
рівнювала п’яти. Помилки були визначені, а причини
усунені. Ймовірність безвідмовної роботи ПЗ в інтер-
валі напрацювання від 0 до 10 годин знаходиться на
рівні 0,987. Зазначимо, що часовий інтервал трива-
лістю 10 годин було обрано довільно. У подальших
дослідженнях надійності ПЗ час випробувань може
бути збільшений відповідно до часу роботи системи,
в якій застосовуватиметься ФПП.
Висновки
Таким чином, проведений аналіз існуючих спо-
собів протидії фоновому випромінюванню дозво-
лив розробити конструкцію фотоприймального при-
строю, тривкого до фонового освітлення сонячним
випромінюванням на довжини хвилі 980 нм. Як по-
казали дослідження, поєднання оптичного відрізаль-
ного фільтра, схеми автоматичного регулювання під-
силення та алгоритму відбору корисного сигналу про-
тягом часу зростання фотоструму на робочій довжи-
ні хвилі дозволили ефективно протидіяти фоновому
освітленню фотоприймача. Створений пристрій є
тривким до фонового сонячного опромінювання по-
тужністю до 17 мВт, а його безвідмовність складає
не менше 500 годин напрацювання
Розроблене програмне забезпечення дозволяє ав-
томатизувати процес вимірювання, а ймовірність
його безвідмовної роботи протягом десяти годин
складає майже 99%.
Подальші роботи передбачають дослідження
створеного ФПП на стійкість та тривкість до зовніш-
ніх механічних та кліматичних факторів.
ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА
1. Al-Gailani S. A. et al. A survey of free space optics
(FSO) communication systems, links, and networks. IEEE
Access, 2021, vol. 9, pp. 7353 – 7373. https://doi.org/10.1109/
ACCESS.2020.3048049
2. Mikołajczyk J., Bielecki Z., Bugajski M. et al. Analysis of free-
space optics development, Metrol. Measur. Syst., 2017, vol. 24, no. 4,
pp. 653 – 674. https://doi.org/10.1515/mms-2017-0060
3. Ghassemlooy Z. et al. An Overview of Optical Wireless
Communications. In: Uysal M., Capsoni C., Ghassemlooy Z.,
Boucouvalas A., Udvary E. (eds) Optical Wireless Communications.
Signals and Communication Technology. Springer, Cham., 2016,
pp.1 – 23. https://doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1
4. Добровольський Ю. Г., Ліпка В.М. Кремнієвий фотодіод для
телекомунікації (FSO) з підвищеною швидкодією та чутливістю
на довжині хвилі 980 нм. Вісник Хмельницького національного уні-
верситету. Серія: Технічні науки, 2024, т. 331, № 1, c. 205 – 214.
https://doi.org/10.31891/2307-5732-2024-331-31
5. Rogalski A. Infrared and Terahertz Detectors, CRC Press, 2022.
1066 p. URL: https://www.routledge.com/Infrared-and-Terahertz-
Detectors-Third-Edition/Rogalski/p/book/ 9781032338668#top
6. Мачехін Ю.П., Гнатенко О.С., Курський Ю.С. та ін.
Лазерні, оптикоелектронні прилади та системи. Ч. 1. Лазерна
інформаційно-вимірювальна техніка для задач військового при-
значення. Харків: ФОП Панов А.М., 2019. 156 с. URL: https://doi.
org/10.30837/978-617-7771-76-9
7. Чадюк В. О. Оптоелектроніка: від макро до нано.
Передавання, перетворення та приймання оптичного випромі-
нювання : навч. посіб. У 2-х кн. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського,
Вид-во «Політехніка», 2018. Кн. 1, 376 с.
8. Трофименко О. Г., Манаков С. Ю., Ларін Д. Г. Основи про-
грамної інженерії : навч.-метод. посібник. Одеса : Фенікс, 2022.
197 с. URL: https://hdl.handle.net/11300/22773.
9. Marnadu R., Chandrasekaran J., Maruthamuthu S. et al.
Ultra-high photoresponse with superiorly sensitive metal-insulator-
semiconductor (MIS) structured diodes for UV photodetector
application. Applied Surface Science, 2019, vol. 30, pp. 308 – 322.
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.02.214
10. Kukurudziak M. Silicon four element p-i-n photodiode with
improved characteristics. Radioelectronic and Computer Systems,
2023, no. 1, pp. 92 – 100. https://doi.org/10.32620/reks.2023.1.07
11. Wu Q., Cen G., LiuYu. A simple-structured silicon
photodetector possessing asymmetric Schottky junction for NIR
imaging. Physics Letters A, 2021, vol. 7, 127586. https://doi.
org/10.1016/j.physleta.2021.127586
12. Setala O.E., Chen K., Pasanen T.P. et al. Boron-implanted
black silicon photodiode with close-to-ideal responsivity from 200 to
1000 nm. ACS Photonics 2023, vol. 10, iss. 6, pp. 1735-1741. https://
doi.org/10.1021/acsphotonics.2c01984
13. Dobrovolsky Y., Sorokaty Y. Model and algorithm of creation
of silicon photodiod with high sensitivity in the middle infrared area
of the spectrum. Radioelectronic and Computer Systems, 2022, no. 4,
рp. 98 – 107. https://doi.org/10.32620/reks.2022.4.07
14. Bi X., Li J., Gu Z. et al. High sensitivity and dynamic-range 25
gbaud silicon receiver chipset with current-controlled DC adjustment
path and cube-shape Ge-on-Si PD. IEEE Transactions on Circuits
and Systems I: Regular Papers, 2020, vol. 67, iss. 11. https://doi.
org/10.1109/TCSI.2020.3011292
15. Raynor J.M., Seitz P. A linear array of photodetectors with
wide dynamic range and near photon quantum-noise limit. Sensors and
Actuators A: Physical, 1997, vol. 61, iss. 1 – 3, pp. 327-330. https://
doi.org/10.1016/S0924-4247(97)01481-7
16. Perez A., Pablo Ju., Lopez C. S., Calvo B. Automatic
gain control. Techniques and Architectures for RF Receivers.
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 2 49ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
5
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
Volodymyr LIPKA1,2, Yurii DOBROVOLSKY2
Ukraine, Chernivtsi,
1Rhythm Optoelektronics Shareholding Company,
2Chernivtsi National University name Yuriy Fedkovych
E-mail: lipka.volodymyr@chnu.edu.ua;
y.dobrovolsky@chnu.edu.ua
PHOTO RECEIVER DEVICE OF INCREASED RELIABILITY
AND RESISTANCE TO BACKGROUND LIGHTING FOR FSO
The exchange of information signals using optical channels is one of the main directions of development of modern
telecommunication systems. Such communication channels include, in particular, the rapidly developing free space optical
(FSO) technology. Since such communication is carried out in the open air, it is necessarily affected by optical interference,
which is mainly created by solar radiation. Therefore, in FSO conditions, the issue of counteracting background illumination
created by sunlight becomes relevant. It is capable of generating a large photocurrent of a photodiode that receives a useful
optical signal. The question arises of how to filter the useful signal, which is transmitted at a certain wavelength (in our case,
it is 980 nm), from the background signal of optical interference, which can suppress the useful monochromatic signal. This
is especially important when the spectral ranges of sensitivity of the photodetector and the source of optical interference
overlap.
Therefore, the purpose of the research and development was to create a design of a background-resistant photo-receiving
device (PRD), operating at a wavelength of 980 nm, under the conditions of illumination of the photodiode by solar radiation.
To achieve the specified goal, a study of known technical solutions was conducted, which showed that the optimal design
should be one that uses optical and electronic methods. In addition, the possibility of tracking the useful signal was shown,
taking into account the time during which the photodetector reacts to irradiation of the working wavelength. Namely, the
growth time of the photodetector. Thus, the counteraction to the background illumination of the photodetector consists in a
combination of an optical cut-off light filter, an automatic gain control circuit that compensates for the component of the
photocurrent caused by the constant frequency composition characteristic of solar radiation, as well as an algorithm for
selecting the useful signal based on the growth time of the photodiode at the working wavelength. This selection, as well
as the general operation of the PRD, is carried out and controlled using specialized software, which is loaded into the
corresponding microcontroller. Studies of the created PRD have shown that it is resistant to background solar radiation of
power up to 17 mW. A study of the reliability of the PRD and software has been conducted. The reliability of the PRD is at
least 500 hours of operation.
The probability of failure-free operation of the software in the operating interval from 0 to 10 hours is at least 0.98.
Keywords: photo-receiving device, background illumination, photodiode, automatic gain control, software reliability.
Springer New York, NY, 2011. URL: https://www.springer.com/gp/
book/9781461401667
17. Thomas F. A., Dietz V., Schrafl-Altermatt M. Automatic
gain control of neural coupling during cooperative hand movements.
Scientific Reports, 2018, vol. 8, article number 5959. https://doi.
org/10.1038/s41598-018-24498-6
18. Veugen L.C.E., Chalupper J., Snik A.F.M. et al. Matching
automatic gain control across devices in bimodal cochlear implant
users. Ear Hear, 2016, vol. 37, iss. 3, pp. 260 – 70. https://doi.
org/10.1097/AUD.0000000000000260
19. Borowski H., Isoz O., Eklof F.M.et al. detecting false signals
with automatic gain control. GPS World Staff, 2012. URL: https://www.
gpsworld.com/detecting-false-signals-automatic-gain-control-12804/
20. Jun Hee Jang, Hyung Jin Choi. A fast automatic gain control
scheme for 3GPP LTE TDD system. 2010 IEEE 72nd Vehicular
Technology Conference - Fall. Ottawa, ON, Canada, 2010, pp. 1 – 5,
https://doi.org/10.1109/VETECF.2010.5594461
21. Raynor J.M., Seitz P. A linear array of photodetectors with
wide dynamic range and near photon quantum-noise limit. Sensors and
Actuators A: Physical, 1997, vol. 61, iss. 1 – 3, pp. 327-330. https://
doi.org/10.1016/S0924-4247(97)01481-7
22. Hodovaniouk V.M., Doktorovych I.V., Butenko V.K. et
al. Silicon photodiode & preamplifier operation characteristic
properties under background radiation conditions. Semiconductor
Physics Quantum Electronics & Optoelectronics, 2005, vol. 8, no. 1,
pp. 83 – 86. URL: http://journal-spqeo.org.ua/n1_2005/v8n1-p083-086.pdf
23. Фрімен Е., Робсон E. Head First. Патерни проєктуван-
ня. Харків, Фабула, 2020. 672 с.
24. Проектування спеціалізованих мікропроцесорних систем.
Навчальний посібник – Електронна версія. Укладачі Г. І. Воробець,
С. В. Мельничук. Чернівці : Чернівецький національний універ-
ситет, 2022. 105 с.
25. Добровольський Ю.Г., Ліпка В.М. Алгоритм протидії
фоновій освітленості підвищеної надійності для вимірювання
енергетичної освітленості, створюваного бактерицидним опро-
мінювачем. Вісник Хмельницького національного університе-
ту. Серія: Технічні науки, 2024, т. 339, № 4, с. 64 – 71. https://doi.
org/10.31891/2307-5732-2024-339-4-11.
26. Sze S. M., NgK. K. Physics of Semiconductor Devices. John
Wiley & Sons Inc., New Jersey, 2006.
27. УФД15М-01 Технічні характеристики. URL: https://
zapadpribor.com/ua/ufd15m-01
28. Яковина В. С., Сенів М. М. Основи теорії надійності
програмних систем. Навчальний посібник. Львів : Видавництво
Львівської політехніки, 2020. 248 с.
Дата надходження рукопису
до редакції 01.06 2025 р.
DOI: 10.15222/TKEA2025.1-2.45
UDC 535.23:621.383.52:546.28:004.9
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 250 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
6
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
REFERENCES
1. Al-Gailani S. A. et al. A survey of free space optics
(FSO) communication systems, links, and networks. IEEE
Access, 2021, vol. 9, pp. 7353 – 7373. https://doi.org/10.1109/
ACCESS.2020.3048049
2. Mikołajczyk J., Bielecki Z., Bugajski M. et al. Analysis of free-
space optics development, Metrol. Measur. Syst., 2017, vol. 24, no. 4,
pp. 653 – 674. https://doi.org/10.1515/mms-2017-0060
3. Ghassemlooy Z. et al. An Overview of Optical Wireless
Communications. In: Uysal M., Capsoni C., Ghassemlooy Z.,
Boucouvalas A., Udvary E. (eds) Optical Wireless Communications.
Signals and Communication Technology. Springer, Cham., 2016,
pp. 1 – 23. https://doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1
4. Dobrovolsky Y., Lipka V. Silicon photodiode for
telecommunications (FSO) with increased speed and sensitivity at 980
nm. Herald of Khmelnytskyi National University. Technical Sciences,
2024, vol. 331, no. 1, pp. 205 – 214. https://doi.org/10.31891/2307-
5732-2024-331-31 (Ukr)
5. Rogalski A. Infrared and Terahertz Detectors, CRC Press, 2022.
1066 p. Available: https://www.routledge.com/Infrared-and-Terahertz-
Detectors-Third-Edition/Rogalski/p/book/ 9781032338668#top
6. Machekhin Yu.P., Hnatenko O.S., Kurskyi Yu.S. et al. Lazerni,
optyko-elektronni prylady ta systemy. Ch. 1. Lazerna informatsiino-
vymiriuvalna tekhnika dlia zadach viiskovoho pryznachennia [Laser,
optoelectronic devices and systems. Part 1. Laser information and
measuring equipment for military purposes]. Kharkiv: FOP Panov
A.M., 2019. 156 p. Available: https://doi.org/10.30837/978-617-
7771-76-9 (Ukr)
7. Chadyuk V. O. Optoelektronika: vid makro do nano.
Peredavannya, peretvorennya ta pryymannya optychnoho vy-
prominyuvannya : navch. posib [Optoelectronics: from macro to
nano. Transmission, conversion and reception of optical radiation: a
textbook]. In 2 books. Kyiv: Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute,
Publishing House “Polytechnics”, 2018. Book 1, 376 p. (Ukr)
8. Trofymenko O. H., Manakov S. YU., Larin D. H. Osnovy
prohramnoyi inzheneriyi : navch.-metod. posibnyk [Fundamentals of
software engineering: teaching and methodical manual]. Odesa : Feniks,
2022. 197 с. Available: https://hdl.handle.net/11300/22773 (Ukr)
9. Marnadu R., Chandrasekaran J., Maruthamuthu S. et al.
Ultra-high photoresponse with superiorly sensitive metal-insulator-
semiconductor (MIS) structured diodes for UV photodetector
application. Applied Surface Science, 2019, vol. 30, pp. 308 – 322.
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.02.214
10. Kukurudziak M. Silicon four element p-i-n photodiode with
improved characteristics. Radioelectronic and Computer Systems,
2023, no. 1, pp. 92 – 100. https://doi.org/10.32620/reks.2023.1.07
11. Wu Q., Cen G., LiuYu. A simple-structured silicon
photodetector possessing asymmetric Schottky junction for NIR
imaging. Physics Letters A, 2021, vol. 7, 127586. https://doi.
org/10.1016/j.physleta.2021.127586
12. Setala O.E., Chen K., Pasanen T.P. et al. Boron-implanted
black silicon photodiode with close-to-ideal responsivity from 200 to
1000 nm. ACS Photonics 2023, vol. 10, iss. 6, pp. 1735-1741. https://
doi.org/10.1021/acsphotonics.2c01984
13. Dobrovolsky Y., Sorokaty Y. Model and algorithm of creation
of silicon photodiod with high sensitivity in the middle infrared area
of the spectrum. Radioelectronic and Computer Systems, 2022, no. 4,
рp. 98 – 107. https://doi.org/10.32620/reks.2022.4.07
14. Bi X., Li J., Gu Z. et al. High sensitivity and dynamic-range 25
gbaud silicon receiver chipset with current-controlled DC adjustment
path and cube-shape Ge-on-Si PD. IEEE Transactions on Circuits
and Systems I: Regular Papers, 2020, vol. 67, iss. 11. https://doi.
org/10.1109/TCSI.2020.3011292
15. Raynor J.M., Seitz P. A linear array of photodetectors with
wide dynamic range and near photon quantum-noise limit. Sensors and
Actuators A: Physical, 1997, vol. 61, iss. 1 – 3, pp. 327-330. https://
doi.org/10.1016/S0924-4247(97)01481-7
16. Perez A., Pablo Ju., Lopez C. S., Calvo B. Automatic gain
control. Techniques and Architectures for RF Receivers. Springer
New York, NY, 2011. Available: https://www.springer.com/gp/
book/9781461401667
17. Thomas F. A., Dietz V., Schrafl-Altermatt M. Automatic
gain control of neural coupling during cooperative hand movements.
Scientific Reports, 2018, vol. 8, article number 5959. https://doi.
org/10.1038/s41598-018-24498-6
18. Veugen L.C.E., Chalupper J., Snik A.F.M. et al. Matching
automatic gain control across devices in bimodal cochlear implant
users. Ear Hear, 2016, vol. 37, iss. 3, pp. 260 – 70. https://doi.
org/10.1097/AUD.0000000000000260
19. Borowski H., Isoz O., Eklof F.M.et al. detecting false signals
with automatic gain control. GPS World Staff, 2012. Available:
https://www.gpsworld.com/detecting-false-signals-automatic-gain-
control-12804/
20. Jun Hee Jang, Hyung Jin Choi. A fast automatic gain control
scheme for 3GPP LTE TDD system. 2010 IEEE 72nd Vehicular
Technology Conference - Fall. Ottawa, ON, Canada, 2010, pp. 1 – 5,
https://doi.org/10.1109/VETECF.2010.5594461
21. Raynor J.M., Seitz P. A linear array of photodetectors with
wide dynamic range and near photon quantum-noise limit. Sensors and
Actuators A: Physical, 1997, vol. 61, iss. 1 – 3, pp. 327-330. https://
doi.org/10.1016/S0924-4247(97)01481-7
22. Hodovaniouk V.M., Doktorovych I.V., Butenko V.K. et
al. Silicon photodiode & preamplifier operation characteristic
properties under background radiation conditions. Semiconductor
Physics Quantum Electronics & Optoelectronics, 2005, vol. 8, no. 1,
pp. 83 – 86. Available: http://journal-spqeo.org.ua/n1_2005/
v8n1-p083-086.pdf
23. Freeman E., Bates B., Sierra K., Robson E. Head First Design
Patterns: A Brain-Friendly Guide O’Reilly MediaБ, 2004. 694 p.
24. Proektuvannya spetsializovanykh mikroprotsesornykh system
[Design of specialized microprocessor systems. Textbook – Electronic
version]. Compiled by G. I. Vorobets, S. V. Melnychuk. Chernivtsi:
Chernivtsi National University, 2022. 105 p. (Ukr)
25. Dobrovolsky, Y., Lipka, V. High reliability anti-background
illumination algorithm for measuring energy illumination produced by
a bactericidal irradiator. Herald of Khmelnytskyi National University.
Technical Sciences, 2024, vol. 339, no. 4, pp. 64 – 71. https://doi.
org/10.31891/2307-5732-2024-339-4-11 (Ukr)
26. Sze S. M., NgK. K. Physics of Semiconductor Devices. John
Wiley & Sons Inc., New Jersey, 2006.
27. UFD15M-01. Technical specifications. Available: https://
zapadpribor.com/en/ufd15m-01/
28. Yakovyna V. S., Seniv M. M. Osnovy teoriyi nadiynosti
prohramnykh system. Navchalʹnyy posibnyk. [Fundamentals of the
Theory of Reliability of Software Systems. Textbook]. Lviv : Lviv
Polytechnic Publishing House, 2020. 248 p. (Ukr)
Copyright: © 2025 by the authors. Licensee: Politekhperiodika, Odesa, Ukraine. This article is an open access
article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license
(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
|
| id | oai:tkea.com.ua:article-381 |
| institution | Technology and design in electronic equipment |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-17T01:00:25Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwtkeacomua/8d/08c4c59471e514a97f211e015e350a8d.pdf |
| spelling | oai:tkea.com.ua:article-3812026-06-16T12:23:35Z Photo receiver device of increased reliability and resistance to background lighting for FSO Фотоприймальний пристрій підвищеної надійності та тривкості до фонової освітленості для FSO Lipka, Volodymyr Dobrovolsky, Yurii photo-receiving device background illumination photodiode automatic gain control software reliability фотоприймальний пристрій фонова освітленість фотодіод надійність тривкість автоматичне регулювання підсилення корисний сигнал алгоритм відбoру The exchange of information signals using optical channels is one of the main directions of development of modern telecommunication systems. Such communication channels include, in particular, the rapidly developing free space optical (FSO) technology. Since such communication is carried out in the open air, it is necessarily affected by optical interference, which is mainly created by solar radiation. Therefore, in FSO conditions, the issue of counteracting background illumination created by sunlight becomes relevant. It is capable of generating a large photocurrent of a photodiode that receives a useful optical signal. The question arises of how to filter the useful signal, which is transmitted at a certain wavelength (in our case, it is 980 nm), from the background signal of optical interference, which can suppress the useful monochromatic signal. This is especially important when the spectral ranges of sensitivity of the photodetector and the source of optical interference overlap. Therefore, the purpose of the research and development was to create a design of a background-resistant photo-receiving device (PRD), operating at a wavelength of 980 nm, under the conditions of illumination of the photodiode by solar radiation. To achieve the specified goal, a study of known technical solutions was conducted, which showed that the optimal design should be one that uses optical and electronic methods. In addition, the possibility of tracking the useful signal was shown, taking into account the time during which the photodetector reacts to irradiation of the working wavelength. Namely, the growth time of the photodetector. Thus, the counteraction to the background illumination of the photodetector consists in a combination of an optical cut-off light filter, an automatic gain control circuit that compensates for the component of the photocurrent caused by the constant frequency composition characteristic of solar radiation, as well as an algorithm for selecting the useful signal based on the growth time of the photodiode at the working wavelength. This selection, as well as the general operation of the PRD, is carried out and controlled using specialized software, which is loaded into the corresponding microcontroller. Studies of the created PRD have shown that it is resistant to background solar radiation of power up to 17 mW. A study of the reliability of the PRD and software has been conducted. The reliability of the PRD is at least 500 hours of operation. The probability of failure-free operation of the software in the operating interval from 0 to 10 hours is at least 0.98. В умовах технології FSO (вільного оптичного простору) актуальним є питання протидії створюваному сонячним світлом фоновому освітленню, здатному згенерувати великий фотострум фотодіода, який може придушити корисний монохроматичний сигнал. У цій роботі пропонується конструкція надійного та тривкого до фонової освітленості фотоприймального пристрою, що працює на довжини хвилі 980 нм, в умовах освітлення сонячним випромінюванням потужністю до 17 мВт. Протидія фотоприймача фоновому освітленню полягає у комбінації оптичного відрізального фільтра, схеми автоматичного регулювання підсилення та алгоритму відбору корисного сигналу за час зростання фотоструму фотодіода на робочій довжині хвилі. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2025-06-30 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.45 10.15222/TKEA2025.1-2.45 Technology and design in electronic equipment; No. 1–2 (2025): Technology and design in electronic equipment; 45-50 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 1–2 (2025): Технологія та конструювання в електронній апаратурі; 45-50 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2025.1-2 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.45/339 Copyright (c) 2025 Volodymyr Lipka, Yurii Dobrovolsky http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| spellingShingle | фотоприймальний пристрій фонова освітленість фотодіод надійність тривкість автоматичне регулювання підсилення корисний сигнал алгоритм відбoру Lipka, Volodymyr Dobrovolsky, Yurii Фотоприймальний пристрій підвищеної надійності та тривкості до фонової освітленості для FSO |
| title | Фотоприймальний пристрій підвищеної надійності та тривкості до фонової освітленості для FSO |
| title_alt | Photo receiver device of increased reliability and resistance to background lighting for FSO |
| title_full | Фотоприймальний пристрій підвищеної надійності та тривкості до фонової освітленості для FSO |
| title_fullStr | Фотоприймальний пристрій підвищеної надійності та тривкості до фонової освітленості для FSO |
| title_full_unstemmed | Фотоприймальний пристрій підвищеної надійності та тривкості до фонової освітленості для FSO |
| title_short | Фотоприймальний пристрій підвищеної надійності та тривкості до фонової освітленості для FSO |
| title_sort | фотоприймальний пристрій підвищеної надійності та тривкості до фонової освітленості для fso |
| topic | фотоприймальний пристрій фонова освітленість фотодіод надійність тривкість автоматичне регулювання підсилення корисний сигнал алгоритм відбoру |
| topic_facet | photo-receiving device background illumination photodiode automatic gain control software reliability фотоприймальний пристрій фонова освітленість фотодіод надійність тривкість автоматичне регулювання підсилення корисний сигнал алгоритм відбoру |
| url | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.45 |
| work_keys_str_mv | AT lipkavolodymyr photoreceiverdeviceofincreasedreliabilityandresistancetobackgroundlightingforfso AT dobrovolskyyurii photoreceiverdeviceofincreasedreliabilityandresistancetobackgroundlightingforfso AT lipkavolodymyr fotoprijmalʹnijpristríjpídviŝenoínadíjnostítatrivkostídofonovoíosvítlenostídlâfso AT dobrovolskyyurii fotoprijmalʹnijpristríjpídviŝenoínadíjnostítatrivkostídofonovoíosvítlenostídlâfso |