張常年,張櫟存,康小麓

(北方工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100144)

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基于APD線列的單光子探測計(jì)數(shù)研究

張常年,張櫟存,康小麓

(北方工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100144)

單光子探測系統(tǒng)可以對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行探測；探測系統(tǒng)含有探測部分、淬滅電路部分和計(jì)數(shù)部分；探測部分主要由工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管組成；在蓋革模式下的雪崩光電二極管發(fā)生雪崩后不能自然停止，淬滅部分主要為了主動(dòng)抑制雪崩電流，快速降低雪崩電壓，以達(dá)到提高探測效率，降低錯(cuò)誤計(jì)數(shù)的目的；APD線列產(chǎn)生多個(gè)光子脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)部分的主要功能是對(duì)多路光子脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)、顯示并且可以控制每路APD的比較電壓，保證每路APD淬滅電路的正常工作。

單光子探測；雪崩二極管；淬滅電路；計(jì)數(shù)電路

0 引言

隨著量子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，單光子探測器已經(jīng)成為各國重點(diǎn)研究課題之一。光子是最小的能力和信息載體。在可見光段，一個(gè)光子的能量在10-19J量級(jí)，要探測如此微弱能量的光子是一個(gè)難題，而新式光電探測技術(shù)——單光子探測技術(shù)，可以利用新式光電效應(yīng)對(duì)能量極小的光子進(jìn)行探測和計(jì)數(shù)，因此在天文探測、大氣測污、量子通訊等領(lǐng)域受到了深入的研究。目前已經(jīng)有多種器件可以用來制作單光子探測器，其中包括光電倍增管、電荷耦合器件、微通道板、混合式光電二極管和蓋革模式雪崩光電二極管。多個(gè)雪崩光電二極管(APD)組成的線列或陣列可作為的單光子探測器的主要器件，其主要應(yīng)用于光子成像技術(shù)領(lǐng)域，在探測遠(yuǎn)程非合作目標(biāo)時(shí)，探測器收到的回播信號(hào)極其微弱，甚至只有幾個(gè)或者單個(gè)光子的能量，因此對(duì)于這種微弱光信號(hào)的探測與成像，就需要由多個(gè)APD組成的線列或陣列的單光子探測器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測與成像。

1 總體設(shè)計(jì)

光子探測器主要是由APD雪崩光電二極管、放大器、比較器、和光子計(jì)數(shù)器組成，由多個(gè)APD組成的線列光子探測器可以同時(shí)進(jìn)行多路計(jì)數(shù)。圖1所示為多個(gè)APD組成的線列光子探測系統(tǒng)+原理圖。

圖1 APD線列單光子探測系統(tǒng)原理圖

探測器工作時(shí)，由于光的量子性，微弱的光信號(hào)是隨機(jī)分布的，當(dāng)探測器檢測到了微弱的光信號(hào)后，輸出光子脈沖信號(hào)。光子脈沖信號(hào)為電脈沖信號(hào)，為了使比較器可以更好的比較光子脈沖信號(hào)與門限閾值幅度差，光子脈沖信號(hào)需要足夠的幅度，則需要在比較器前加入前置放大器，光子脈沖信號(hào)經(jīng)放大器放大之后進(jìn)入比較器與門限閾值進(jìn)行比較并整形，最后輸出為TTL電平，再由光子計(jì)數(shù)器對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。

2 淬滅電路設(shè)計(jì)

使用APD器件設(shè)計(jì)的單光子探測器具有功耗低、量子效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。通常APD兩端所加的反向電壓要高于雪崩擊穿電壓，并且雪崩在發(fā)生后不能自然停止，還會(huì)產(chǎn)生很大的電流，容易使管子燒毀。為了解決這些問題，需要采取措施淬滅雪崩，抑制雪崩電流，并為探測下一個(gè)光子的到來做好準(zhǔn)備。所以淬滅電路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，對(duì)于單光子探測器的探測效率和精準(zhǔn)度起著關(guān)鍵作用。

完成一次淬滅需要有3個(gè)步驟：1)感應(yīng)雪崩信號(hào)的同時(shí)輸出TTL脈沖電平信號(hào)。2)脈沖信號(hào)控制APD兩端的偏置電壓，使其低于雪崩擊穿電壓，淬滅雪崩。3)重新恢復(fù)偏置電壓，為下一個(gè)光子的到來最好準(zhǔn)備。常見的淬滅方式有3種：被動(dòng)淬滅、主動(dòng)淬滅和門控淬滅。對(duì)于非合作目標(biāo)的探測通常使用被動(dòng)淬滅和主動(dòng)淬滅的方式，而主動(dòng)淬滅的響應(yīng)速度要高于被動(dòng)淬滅，性能較優(yōu)。

主動(dòng)淬滅的工作原理如圖2所示。

圖2 主動(dòng)淬滅工作原理圖

主動(dòng)淬滅相當(dāng)于在被動(dòng)淬滅模式后面加上兩個(gè)模塊：通過反饋的淬滅模塊以及恢復(fù)模塊。它與被動(dòng)淬滅模式的區(qū)別在于利用了反饋的優(yōu)勢，當(dāng)探測器檢測到雪崩信號(hào)后立刻反饋到APD的驅(qū)動(dòng)電壓上，降低偏置電壓至APD的雪崩擊穿電壓之下，淬滅雪崩。

工作在蓋革模式下的APD，其兩端電壓高于雪崩擊穿電壓。一旦APD接收到入射光子，雪崩發(fā)生，瞬間產(chǎn)生的雪崩大電流，信號(hào)提取電阻Rs兩端產(chǎn)生雪崩信號(hào)，經(jīng)前置放大器和比較器后輸出TTL電平信號(hào)控制開關(guān)K1閉合，使得APD兩端電壓降到雪崩電壓以下，之后K2閉合使APD恢復(fù)至雪崩發(fā)生前的狀態(tài)，為探測下一個(gè)光子做好準(zhǔn)備。

淬滅電路性能的優(yōu)劣主要取決于淬滅時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間的長短。在淬滅與恢復(fù)的過程中，APD無法探測光子，通常將這段無法探測光子的時(shí)間稱作死時(shí)間。死時(shí)間越短探測器的精度和工作頻率越高。

2.1 雪崩信號(hào)甄別電路

前置放大器選用AD8001運(yùn)放，其-3 dB帶寬為880 MHz，響應(yīng)時(shí)間為10 ns。比較器采用AD8611，AD8611的帶寬為100 M，響應(yīng)時(shí)間為4 ns。響應(yīng)時(shí)間決定著探測到雪崩發(fā)生后產(chǎn)生淬滅的速度。比較器的參考電壓Vref可通過STC12C56實(shí)現(xiàn)D/A功能，對(duì)每個(gè)APD單獨(dú)進(jìn)行設(shè)置，由于每個(gè)APD之間存在差異，所以Vref的可以根據(jù)實(shí)際情況由用戶手動(dòng)調(diào)節(jié)。圖3為雪崩信號(hào)甄別電路。

圖3 雪崩信號(hào)甄別電路

當(dāng)光子到達(dá)時(shí)，高速的雪崩信號(hào)甄別電路迅速輸出雪崩檢測信號(hào)，淬滅與恢復(fù)電路收到信號(hào)后開始淬滅。

2.2 淬滅與恢復(fù)電路

淬滅與恢復(fù)電路收到信號(hào)后，控制開關(guān)管Q1導(dǎo)通，使得APD電壓下降至VA-VQ，VQ為LM1117輸出電壓，可以通過改變可變電阻阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)VQ使APD電壓小于雪崩擊穿電壓，淬滅雪崩。經(jīng)短暫延時(shí)后恢復(fù)信號(hào)控制開關(guān)管Q2閉合，完成恢復(fù)。圖4為淬滅與恢復(fù)電路。

圖4 淬滅與恢復(fù)電路

3 淬滅電路仿真分析

在制作電路實(shí)物之前，需要根據(jù)主動(dòng)淬滅的原理，使用仿真軟件對(duì)淬滅電路進(jìn)行仿真分析。由于仿真器件中不存在雪崩二極管(APD)器件，故首先需要對(duì)APD建立等效電路模型，其次進(jìn)行仿真分析。

3.1 APD等效電路模型

如圖5所示，開關(guān)K模擬光子入射，開關(guān)閉合表示有光子入射。電壓源為APD器件的雪崩電壓。電阻為APD的內(nèi)阻，電容分別為結(jié)電容和分布電容。

圖5 APD等效電路模型

3.2 PSPice電路仿真電路

根據(jù)APD等效電路模型，使用PSPice對(duì)主動(dòng)淬滅和被動(dòng)淬滅進(jìn)行仿真對(duì)比，圖6所示。

圖6 PSPice仿真電路圖

3.3 仿真分析

根據(jù)APD的等效電路模型和主動(dòng)淬滅電路原理，對(duì)4線列的APD的淬滅電路進(jìn)行仿真，得到淬滅仿真波形，如圖7所示。

圖7 APD淬滅仿真波形圖

如圖，(a)(b)(c)(d)分別為參數(shù)不同的APD得到的波形結(jié)果，(e)為被動(dòng)淬滅模式波形。對(duì)比兩種淬滅方式，使用主動(dòng)淬滅方式完全抑制雪崩所需要的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于被動(dòng)淬滅模式。結(jié)果表明，對(duì)比被動(dòng)淬滅模式，主動(dòng)淬滅模式的死區(qū)時(shí)間短，因此提升了光子探測效率，降低錯(cuò)誤計(jì)數(shù)，具有更好的性能。

4 計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)

計(jì)數(shù)電路部分主要功能有兩個(gè)：一是對(duì)光子脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)并且顯示，二是分別對(duì)每路APD的閾值門限電壓進(jìn)行設(shè)置。APD檢測到雪崩信號(hào)后作出響應(yīng)，輸出TTL電平的光子脈沖信號(hào)，接著進(jìn)入計(jì)數(shù)電路對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行讀取，并且同時(shí)對(duì)多路APD產(chǎn)生的光子脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

計(jì)數(shù)電路采用主從機(jī)的多機(jī)通信方式，原理框圖如圖8所示。主機(jī)主要作用為顯示與控制從機(jī)，從機(jī)的主要作用為對(duì)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)和控制D/A設(shè)置APD的閾值門限電壓。

圖8 計(jì)數(shù)電路原理框圖

選用STC12C56作為從機(jī)，主要功能是對(duì)光子脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)以及控制D/A模塊產(chǎn)生門限閾值電壓。主機(jī)選用LJD-eWinV5-ST3，LJD-eWinV5-ST3的主芯片為SAMUNG S3C2416，是一款基于Windows CE6.0操作系統(tǒng)下的控制平臺(tái)。它擁有32位ARM926EJ高速處理器內(nèi)核。LJD-eWinV5-ST3帶有3路標(biāo)準(zhǔn)RS232、1路RS485，主機(jī)與從機(jī)之間通過4路串口的方式進(jìn)行通信，可同時(shí)對(duì)多個(gè)從進(jìn)行控制和分別顯示從機(jī)傳來的光子數(shù)值。

4.1 系統(tǒng)控制流程

該流程為從機(jī)控制流程，如圖9所示，在程序初始化完成之后，進(jìn)入接收指令狀態(tài)。通過串口中斷的方式接收來自主機(jī)的指令。當(dāng)接收到命令時(shí)，判斷為正確格式的指令后讀取指令，并根據(jù)指令的類型完成相應(yīng)的操作。

圖9 從機(jī)控制流程

4.2 D/A部分

STC12C56本身不具有D/A功能，但具有PWM波輸出功能，通過STC12C56系列自帶的PWM波輸出功能，通過更改脈寬改變PWM波直流分量，最后通過RC電路濾除高頻分量波保留直流分量，即利用PWM實(shí)現(xiàn)D/A功能。其電路如圖10所示。

圖10 利用PWM實(shí)現(xiàn)D/A功能電路圖

4.3 電平轉(zhuǎn)換部分

主機(jī)帶有3路標(biāo)準(zhǔn)RS232、1路RS485，從機(jī)的UART接口采用TTL正邏輯。因此和采用RS232負(fù)邏輯的主機(jī)相連時(shí)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。TTL-232使用MAX232芯片，TTL-485采用MAX485芯片，與MAX232不同，MAX485需要通過控制切換發(fā)送使能和接收使能端進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，為了與其他3路串口通信的統(tǒng)一，利用硬件方式來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收發(fā)轉(zhuǎn)換的RS-485接口電路，通過74HC14芯片可以判斷收發(fā)狀態(tài)從而控制發(fā)送使能和接收使能端，達(dá)到自動(dòng)收發(fā)的目的，如圖11所示。

圖11 自動(dòng)收發(fā)轉(zhuǎn)換的RS-485接口電路

5 結(jié)論

淬滅電路部分使用主動(dòng)淬滅的方式對(duì)雪崩二極管完成淬滅與快速恢復(fù)過程，減少死區(qū)時(shí)間，提高探測精度，提升APD壽命；光子計(jì)數(shù)電路部分，采用主從機(jī)互相通信的方式，主機(jī)

用于控制與管理從機(jī)，從機(jī)負(fù)責(zé)完成計(jì)數(shù)和設(shè)置閾值電壓的功能，對(duì)每個(gè)APD分別控制，提高線列APD的探測效率，增加了精確度，減少錯(cuò)誤計(jì)數(shù)。

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Study of Single-photon Detection Based on the Linear Array APD

Zhang Changnian, Zhang Licun, Kang Xiaolu

(College of Information Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

The single-photon detection system can detect a single photon;detection system includes detection section, quenching circuit section and the counting section; Detecting section consists of avalanche photodiode, which works in Geiger mode; Avalanche photodiode can not stop naturally, quenched section aim to active suppression avalanche current, reduce avalanche voltage rapidly, to reach the goal of improving the detection efficiency and reducing the error count ; APD Linear Array produce multiple photon pulse signal，The main function of the counting section is counting and displaying multi-channel photon pulse signals, controling each road respectively, ensure the normal work of the APD quench circuit.

single-photon detection; avalanche photodiode; quenching circuit; counting circuit

2016-04-14；

2016-05-24。

張常年(1958-)，男，教授，主要從事電子電路系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2016)09-0184-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.052

TP3

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