單光子探測(cè)器APD的特性分析以及所需要的直流偏壓源設(shè)計(jì) - 全文

1 引 言

單光子探測(cè)是一種檢測(cè)極微弱光的方法，在近紅外波段，雪崩光電二極管(APD)是探測(cè)極微弱光的主要器件之一。APD是一種能實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換且具有內(nèi)部增益的高靈敏度光電探測(cè)器，其工作電壓不高，噪聲相對(duì)較小，非常適合極微弱光信號(hào)(如單個(gè)光子信號(hào))的探測(cè)。

由于單光子探測(cè)是在高技術(shù)領(lǐng)域的重要地位，他已經(jīng)成為各發(fā)達(dá)國(guó)家光電子學(xué)重點(diǎn)研究的課題之一。在量子密鑰分發(fā)、天文測(cè)光、分子生物學(xué)、超高分辨率光譜學(xué)、非線形光學(xué)、光時(shí)域反射等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，都涉及到極微弱光信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題。在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，量子信息的載體是單光子，如何將攜帶信息的單光子探測(cè)出來(lái)是實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)的關(guān)鍵。APD是實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)的核心器件。在單光子探測(cè)器設(shè)計(jì)中，為了開發(fā)APD的極限靈敏度，APD必須置于反向偏壓(Vb)稍高于雪崩擊穿電壓(Vbr)之上，即所謂的蓋格(Gerger Mode)模式下工作，使APD的雪崩增益M取最佳值MOPT，才能達(dá)到較高的探測(cè)效率。然而在蓋格模式時(shí)，APD的雪崩增益M不僅與環(huán)境溫度T還與其直流偏壓Vb的大小密切相關(guān)。

2 蓋格模式下APD雪崩特性

雪崩光電二極管的雪崩增益M的大小與電子或空穴的有關(guān)，其雪崩過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程，通常用平均雪崩增益M來(lái)表示。M與擊穿電壓Vbr、偏置電壓Vb的關(guān)系可用以下經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)描述：

其中n是與溫度有關(guān)的特性指數(shù)(在2.5～7之間變化，取決于光電材料)。從公式可以看出，APD可以工作在兩種方式下：一是偏置電壓小于擊穿電壓，然而在這種情況下雪崩增益過(guò)小，不足以捕捉到單個(gè)光子信號(hào)。二是偏置電壓稍高于擊穿電壓，理論上雪崩增益為無(wú)窮大，一個(gè)注入耗盡層載流子就能觸發(fā)APD雪崩，產(chǎn)生mA量級(jí)的電流，使單光子探測(cè)成為可能。由此可見，APD的雪崩增益M僅與其反向偏壓Vb大小密切相關(guān)。因此，為了獲得最佳的雪崩增益MOPT，APD的偏壓控制電路設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

當(dāng)APD的反向偏置電壓高于雪崩擊穿電壓時(shí)，偏壓的任何微小抖動(dòng)都能改變APDs結(jié)區(qū)場(chǎng)強(qiáng)的大小，不但能影響到APD的雪崩增益M還會(huì)為探測(cè)器帶來(lái)了非光子脈沖噪聲，如散粒噪聲、附加噪聲等。因此，用作單光子探測(cè)器的APD偏壓源必須滿足下列條件：第一，電壓要足夠高，能夠達(dá)到APD的雪崩擊穿電壓以上；第二，能夠提供足夠的電流，滿足APD雪崩時(shí)電流迅速增大的要求；第三，要有足夠小的紋波，盡量減小由于電源電壓抖動(dòng)帶來(lái)的噪聲。這就意味著APD的反向偏置電壓的電壓穩(wěn)定性足夠的高。

3 連續(xù)可調(diào)APD直流偏壓源

由線性元件構(gòu)成的線性電源電路中，電壓調(diào)整管要工作在放大狀態(tài)，發(fā)熱量大，效率低，需要加體積龐大的散熱片，此外，同樣也是大體積的工頻變壓器也會(huì)帶來(lái)工頻干擾，單光子探測(cè)器核心器件APD若沒做好足夠的電磁屏蔽，也會(huì)為探測(cè)帶來(lái)額外的誤差。在較高直流電壓輸出時(shí)，要作到高穩(wěn)定度和低紋波輸出，在電路設(shè)計(jì)上較復(fù)雜。

MAX5026是MAXIM公司生產(chǎn)的固定頻率、脈沖寬度可調(diào)的低噪聲升壓轉(zhuǎn)換器，是一個(gè)專門為APD，LCD，低噪聲變?nèi)荻O管等提供直流偏置電源的表帖元件。其內(nèi)部的橫向DMOS開關(guān)器件頻率固定為500 kHz，且具有40 V的耐壓極限。工作時(shí)使用一個(gè)工作于非連續(xù)電流模式的電感L，故意減慢開關(guān)速度，用來(lái)降低高頻電壓毛刺。開關(guān)速度的降低還能減小高頻di/dt和dv/dt速率，最大限度地減小了通過(guò)電流環(huán)、印刷電路板線條和元件管腳問(wèn)的電容向周圍電路輻射或傳導(dǎo)進(jìn)來(lái)的噪聲，近一步減小可能帶來(lái)的噪聲。

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圖1所示APD偏壓源電路是由PWM升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器MAX506和鐵氧體磁心電感線圈L組成，電容G3，G4和二極管D3，D4構(gòu)成的倍壓電路，使MAX5026輸出電壓可到71 V。在穩(wěn)態(tài)時(shí)倍壓電路的工作過(guò)程如下：芯片內(nèi)部DMOS導(dǎo)通，電容C3將電荷轉(zhuǎn)移給C4，同時(shí)電感L被充電；隨著內(nèi)部DMOS關(guān)斷，在電感中建立起的電流使D1和D3正向?qū)?，加到電容C5上的總電壓為Vc3和Vc4之和。使用MAX5026作為APD直流偏壓源有以下特點(diǎn)：

(1) MAX5026內(nèi)部較慢FET上升和下降時(shí)間降低時(shí)間降低了di/dt和dv/dt噪聲耦合；

(2) 非連續(xù)電流模式的電感使二極管D1自然換流，本質(zhì)上消除了二極管的反相恢復(fù)帶來(lái)的高頻di/dt噪聲；

(3) 固定500 kHz PWM工作頻率產(chǎn)生的可預(yù)知噪聲頻譜，更容易濾除，如加LC濾波網(wǎng)絡(luò)；÷ (4) 高集成度帶來(lái)低成本和小尺寸，該表帖元件面積僅為12 mm2。

由于使用的單光子核心器件InGaAs-APD，在室溫時(shí)其雪崩擊穿電壓30～60 V不等，雪崩擊穿電流為mA量級(jí)，因此該偏置電壓源電路能滿足其要求。

根據(jù)MAXIM公司給出MAX5026的資料，電路的輸出電壓可依據(jù)下面的關(guān)系設(shè)定：

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電路的控制輸入電壓為2.500 V即輸出電壓為71 V輸出時(shí)，1 mA電流負(fù)載時(shí)具有100 mVp-p的紋波輸出，若在輸出端并聯(lián)一個(gè)1μF或更大一點(diǎn)的低等效串聯(lián)電阻(ESR)和低等效串聯(lián)電感(ESL)電容時(shí)，能將噪聲水平降低到20 mV水平，如下圖2所示，其紋波峰峰值不到40 mV。由于MAX5026采用了500 kHz固定開關(guān)頻率，如采用LC濾波器或RC濾波器可以將輸出紋波峰值降低到2 mV水平，足以滿足APD雪崩擊穿時(shí)電壓的需要。

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4 數(shù)控輸出APD直流偏壓源

有時(shí)使用的APD是帶溫度補(bǔ)償?shù)慕M件，組件里帶有熱敏電阻之類的感溫元件，使用圖3所示直流源電路就非常合適，圖3所示電路是基于單片機(jī)控制的、具有輸出數(shù)字可調(diào)的APD偏置電壓源部分電路。在控制部分單片機(jī)讀取APD組件中熱敏電阻的值，從而修正APD的偏置電壓，能實(shí)現(xiàn)對(duì)APD的溫度補(bǔ)償，此外也可以進(jìn)一步修正電源電壓波動(dòng)帶來(lái)增益的變化。

在此電路中，MAX6102是2.5 V基準(zhǔn)電壓源。通過(guò)控制10位DA轉(zhuǎn)換器MAX5304能將輸出電壓從24.79 V調(diào)節(jié)到71.32 V，步長(zhǎng)為45.4 mV。如當(dāng)DAC的串行輸入數(shù)據(jù)為3FFH時(shí)，即控制輸入電壓為0 V時(shí)，輸出電壓為71.32 V，當(dāng)串行輸入數(shù)據(jù)為000H時(shí)，輸出電壓為24.79 V，此時(shí)控制輸入電壓為2.500 V。如想得到步長(zhǎng)更小的電壓輸出，可選用多位數(shù)模轉(zhuǎn)換器來(lái)替代MAX5304，如低功耗滿幅輸出12位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7512可將步長(zhǎng)降低到11 mV左右。

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5 結(jié) 語(yǔ)

基于低噪聲、固定頻率PWM生壓轉(zhuǎn)換器MAX5026的APD直流偏壓源具有紋波小、成本低、體積小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和穩(wěn)定性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該偏壓電路能夠滿足單光子探測(cè)時(shí)APD對(duì)直流偏壓源的要求。此外，鑒于這些優(yōu)點(diǎn)，該偏壓電路在電視調(diào)諧、低噪聲變?nèi)荻O管的偏置、數(shù)字視頻解碼器的調(diào)諧、電纜調(diào)制器、電纜話音通信等電路的電源系統(tǒng)中也得到廣泛應(yīng)用。