王　凡，蔣書波，胡佳琳

（南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京211816）

APD單光子探測的電路設(shè)計*

王凡，蔣書波*，胡佳琳

（南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京211816）

在氣體分析領(lǐng)域，由于分子密度的減小，拉曼技術(shù)很難獲得足夠強的信號，為提高檢測靈敏度，利用雪崩光電二極管設(shè)計了單光子探測器，來檢測微弱的拉曼光。系統(tǒng)圍繞APD設(shè)計了3個主要模塊：偏置/測試電源、溫控模塊、信號調(diào)理。測試了系統(tǒng)的暗計數(shù)率，并用標(biāo)準(zhǔn)氣校驗了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。實驗結(jié)果表明：標(biāo)準(zhǔn)差最大為0.905，按總量程計算可得重復(fù)性相對偏差為0.905%，而非線性誤差取最大引用誤差0.13%。其多次測量結(jié)果的線性度很好，能夠用于線性檢測。

單光子探測；硅雪崩光電二極管；雪崩抑制；氣體拉曼分析；偏置電源

近年來，光子計數(shù)技術(shù)發(fā)展迅速，在光譜測量、無損檢測、高能物理、量子通訊、生物醫(yī)療、天文觀測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1-2］。

利用不同的光電轉(zhuǎn)換原理和改進技術(shù)，可以用作單光子探測核心的光電轉(zhuǎn)換元件有很多，例如使用外光電效應(yīng)激發(fā)電子的光電倍增管、微通道板和微球板電子倍增器，以及使用內(nèi)光電效應(yīng)增加載流子濃度的雪崩光電二極管和真空光電二極管［3］。國外已經(jīng)利用 SiAPD開發(fā)出適用于40 nm～1 000 nm波段的商用單光子探測器，而針對1 310 nm和1 550 nm的近紅外單光子探測器的研究也日漸成熟［4-5］。

相比于普通PN結(jié)光電二極管，雪崩光電二極管在結(jié)構(gòu)上做了一些改進，使它能承受更高的偏置電壓［6］，產(chǎn)生足夠強的結(jié)電場，加速光生載流子從而使得光電流倍增，最小可探測功率約為1×10-9W［7］，所以APD成為目前微弱光信號檢測中應(yīng)用最為廣泛的高靈敏光電探測器［8］。

雪崩光電二極管有兩種工作模式，分別是線性放大模式和蓋革模式，線性放大模式用于雪崩光電二極管的特性測試，本文結(jié)合光子計數(shù)技術(shù)，把蓋革模式作為單光子探測的正常工作模式。

1　單光子探測器系統(tǒng)設(shè)計

1.1偏置電源設(shè)計

APD的正常工作離不開反向偏置的高電壓電源。根據(jù)使用的MPPC器件資料顯示，雪崩擊穿電壓在65 V左右，因此設(shè)計工作偏置電壓范圍在80 V以下可調(diào)。

MAX15059是一種PWM調(diào)制升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，可調(diào)輸出最高達(dá)76 V，為了有效保護APD，該芯片還提供了外接電阻調(diào)整限流大小，防止光功率瞬變導(dǎo)致的電流激變，輸出功率可達(dá)300 mW，具有更高的可用功率。

圖1　高壓高功率電源

電壓調(diào)節(jié)的是利用反饋電阻和基準(zhǔn)電壓的配合。此處的基準(zhǔn)電平為1.23 V，使用電阻引出電壓控制端。如圖1所示，將升壓后的輸出電壓通過一個RC低通濾波輸入到BIAS端口，在集成芯片內(nèi)部經(jīng)過一個高精度的電流監(jiān)視器再由APD端口與雪崩二極管的陰極相連，這樣流過二極管的電流就完全處于該芯片的控制之下了。RC低通濾波截止頻率可用式（1）進行估算：

當(dāng)電阻R為100 Ω，電容C為0.1 μF時，計算得出截止頻率f為15.9 kHz。

1.2PI溫度控制設(shè)計

雪崩光電二極管工作時，低溫環(huán)境是必需的。APD的雪崩電壓會跟隨溫度的下降而減小，溫度漂移將導(dǎo)致蓋革工作狀態(tài)的不穩(wěn)定，因此應(yīng)對溫度進行控制，浮動最好能限制在0.1℃以下［9］。利用半導(dǎo)體制冷片（TEC）來降低APD內(nèi)腔溫度，而實時溫度測量由熱敏電阻完成。制冷片與熱敏電阻都集成在MPPC封裝管中，具有體積小巧、重量輕、無噪聲、功耗低的優(yōu)點。通過壓控電流源控制流過TEC的電流來控制制冷功率。

為更好地達(dá)到恒溫控制的效果，設(shè)計了PI控制電路，熱敏電阻轉(zhuǎn)換當(dāng)前溫度為電壓信號，首先進行比例放大，再加入積分環(huán)節(jié)運算，最終改變電流源控制電平的輸入。

已知APD工作時內(nèi)部熱敏電阻的阻值大約在15 kΩ，串聯(lián)一個同樣為15 kΩ的低溫漂電阻，組成分壓電路將熱敏電阻阻值轉(zhuǎn)換為電壓值，并輸入運放的正相輸入端。軌至軌運算放大器MAX4477的差分輸入阻抗高達(dá)1 000 GΩ，可以直接從熱敏電阻分壓電路中接取電壓信號。反相輸入則由外部溫度控制端口和一個電壓跟隨器來提供，或由可調(diào)電阻來設(shè)定。

如圖2所示，熱敏電阻的分壓和設(shè)定溫度電壓分別被輸入運放正反相輸入端，其差值按比例放大。

假設(shè)熱敏電阻分壓為UT，設(shè)定溫度電壓為USET，則UU3A輸出電壓可表示為

比例系數(shù)為R18/R17=10，放大后的差值進行積分運算，得到輸出電壓：

反饋電路中，電阻和電容串聯(lián)用來吸收高頻干擾，減小紋波，RC值決定了吸收頻率，電阻值決定吸收深度。從式（4）中可以看出，按恒溫條件計算應(yīng)滿足UU3A=UREF，則控制電壓應(yīng)設(shè)為

此時的UT應(yīng)取目標(biāo)溫度通過對照圖2轉(zhuǎn)換得到的電壓值。

圖2　溫度設(shè)定與PI調(diào)節(jié)電路

1.3雪崩抑制

有源抑制是靠一套快感應(yīng)電路模塊把雪崩電流產(chǎn)生的脈沖信號迅速反饋到APD的偏置電源系統(tǒng)中，主動降低APD兩端的電壓促使雪崩停止，之后在可控時間內(nèi)恢復(fù)到正常偏壓［10］。

如圖3所示，當(dāng)有雪崩電流發(fā)生時，取樣電阻上出現(xiàn)雪崩電壓信號，信號首先經(jīng)過甄別器，若是超過設(shè)定的電平值則判定為有效光子數(shù)。判定后的雪崩信號上升沿進入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器M1，M1輸出高電平并持續(xù)時間T1，在T1時間內(nèi)開關(guān)K1被閉合，此時APD陽極電平被拉高至熄滅電平的水平，完成對雪崩效應(yīng)的淬滅。M1完成時間后會恢復(fù)輸出為低，開關(guān)K1斷開，同時下降沿將觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器M2。同樣的，M2也會持續(xù)輸出高電平一段時間，記為T2。在T2時間內(nèi)，開關(guān)K2被閉合，將APD陽極拉低至地，消除后脈沖以減少偽脈沖數(shù)量。M2輸出完成后，探測器進入下一個周期的等待狀態(tài)。

從取樣電阻上引出的信號送到甄別器反相輸入端，當(dāng)產(chǎn)生的電壓脈沖幅值超過正相輸入端設(shè)定好的閾值電平時，甄別器輸出下降沿。甄別器采用軌至軌高速比較器ADCMP602，傳遞時間僅有3.5 ns，完全兼容TTL和CMOS標(biāo)準(zhǔn)，如圖4。在輸出端連接固定阻值電阻和一個變阻器，可調(diào)節(jié)范圍為0～1.707 V，則調(diào)整靈敏度為0.3 mV/Ω。

圖3　有源抑制時序示意圖

M1、M2選用高速CMOS邏輯雙單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器CD74HC221，傳遞時間不超過36 ns。開關(guān)選用單刀單擲高速邏輯4開關(guān)芯片74HC4066，傳遞時間僅為2 ns，開關(guān)延遲 13 ns。上述兩款芯片都符合CMOS電平標(biāo)準(zhǔn)，由于使用開關(guān)驅(qū)動比自身工作供電高的電平時可能引起器件損壞，因此用雪崩抑制電源同時給兩者供電，確保抑制電平能起到淬滅雪崩的作用。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入采用TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，工作在6 V時的高電平閾值為4.2 V，因此可由高速比較器的CMOS輸出電平正常過渡到此處的低壓電平。

圖4　抑制控制電路原理圖

2　系統(tǒng)性能測試

根據(jù)核心器件APD陣列的特性，調(diào)整工作參數(shù)：溫度-19℃，偏置電壓66.27 V，脈沖甄別閾300 mV。用鋁板制作探測器的外殼，將探測器封裝在內(nèi)，蓋住受光面營造成一個暗環(huán)境。用SMB射頻屏蔽線將探測器的信號輸入單片機控制板，采集到的脈沖信號經(jīng)過濾波處理，上傳至上位機程序進行測試。

2.1暗計數(shù)率

暗計數(shù)是指在無光環(huán)境下探測器信號的輸出脈沖數(shù)。直接采樣計數(shù)值輸出。借助探測器外殼和適當(dāng)?shù)恼诠獯胧?，在溫度恒定后開始讀取輸出脈沖數(shù)，得到統(tǒng)計結(jié)果。在圖5中，采樣周期選擇1 s，未標(biāo)定，得到暗計數(shù)率的平均值為23.623 kc/s，與器件手冊上說明的一致。

圖5　恒定的測試環(huán)境下探測系統(tǒng)的暗計數(shù)

2.2標(biāo)定誤差

用光纖引導(dǎo)腔內(nèi)發(fā)出的拉曼光，經(jīng)過濾光片，到達(dá)探測器接收面。選用輸出功率300 mW、波長532 nm的激光作為光源，濾光片的中心波長為610 nm，產(chǎn)生的拉曼頻移對應(yīng)于氮氣的主特征峰附近。

用純氬氣先對檢測腔進行吹掃，待探測器輸出值穩(wěn)定后作為零點樣氣進入標(biāo)定序列，然后分別使用含氮55%、90%和99%的標(biāo)準(zhǔn)樣氣進行標(biāo)定。軟件自動計算出線性擬合的系數(shù)CL1和CL2，之后的計數(shù)值將通過式（6）換算成濃度百分比在分析結(jié)果區(qū)域顯示，未啟用激光輸出檢測時，Glaser取1。

對標(biāo)準(zhǔn)樣氣進行重復(fù)性和線性度測試，測試結(jié)果如表1所示，其中含氮量為0的是純氬氣，標(biāo)準(zhǔn)差按賽貝爾公式計算。從依次對選取的4種標(biāo)準(zhǔn)樣氣進行反復(fù)測試的結(jié)果可以看出，標(biāo)準(zhǔn)差最大為0.905，按總量程計算可得重復(fù)性相對偏差為0.905%，而非線性誤差取最大引用誤差0.13%。測試結(jié)果表明，雖然單光子探測系統(tǒng)的重復(fù)性偏差較大，但其多次測量結(jié)果的線性度很好，能夠用于線性檢測。

表1　探測系統(tǒng)誤差測試結(jié)果

3　結(jié)束語

通過對微弱光探測器發(fā)展現(xiàn)狀的了解，選擇使用硅雪崩光電二極管多像素計數(shù)器作為核心光電器件，擊穿電壓僅為65 V。運用光子計數(shù)理論，設(shè)計了單光子探測器。溫度恒定使用熱敏電阻感溫、PI調(diào)節(jié)、壓控電流源驅(qū)動半導(dǎo)體制冷片的控制策略。對探測系統(tǒng)的暗計數(shù)率、標(biāo)定誤差進行了測試，結(jié)果表明探測系統(tǒng)能正確探測到拉曼信號的變化，具有靈敏度高、分析速度快、體積小、功耗低的特點，并已能搭載到氣體拉曼分析儀系統(tǒng)中。

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［3］楊照金，李琪，解琪，等.單光子探測器及其校準(zhǔn)技術(shù)研究［C］//中國計量測試學(xué)會光輻射計量學(xué)術(shù)研討會論文集.西安：中國計量測試學(xué)會光輻射計量專委會，2012：54-59.

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王凡（1991-），男，江蘇連云港人，南京工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為諧振腔增強拉曼效應(yīng)；

蔣書波（1979-），女，黑龍江哈爾濱人，南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院副教授，研究方向為工業(yè)檢測嵌入式，1209780391@qq.com。

Circuit Design of Single-Photon Detector Based on APD*

WANG Fan，JIANG Shubo*，HU Jialin
（College of Electrical Engineering and Control Science，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China）

In the field of gas analysis due to the reduced molecular density，Raman technique is difficult to obtain a sufficiently strong signal，a single photon detector is designed based on an avalanche photodiode to improve the detection sensitivity of the weak Raman light.The system has four main modules around APD：offset/test power supply，temperature control module，signal conditioning，pulse output.The dark count rate of the system is tested，and by using the standard gas the accuracy of the system was calibrated.The results showed that standard deviation is up to 0.905，according to the totalprocess，reproducibility relative standard deviation can be calculated to 0.905%，while the non-linear error to take as maximum reference error is 0.13%.Its good linearity measurements can be used for linear detection.

photon detector；silicon avalanche photodiode；avalanche quenching；gas analysis by Raman；bias power

TP116.02

A

1005-9490（2016）05-1093-05

項目來源：國家自然科學(xué)基金項目（61308066）

2015-09-15修改日期：2015-12-29

EEACC:7230C10.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.015