張超，王曉榮，許新岳，程聰聰

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京210009)

基于APD的氣體拉曼單光子探測器設(shè)計

張超，王曉榮*，許新岳，程聰聰

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京210009)

根據(jù)拉曼散射光的特點(diǎn)，選用一種由硅雪崩光電二極管(APD)組成的多像素倍增器件作為光電轉(zhuǎn)換器，設(shè)計了一套單光子探測器。為降低探測過程的噪聲，探測器部分設(shè)計有低紋波偏壓、恒溫控制和快速雪崩抑制模塊.并配有用于雪崩特性研究的測試模塊，并通過調(diào)整電路參數(shù)優(yōu)化探測性能。測試結(jié)果表明:探測器具有響應(yīng)靈敏度高、分析速度快、體積小巧、功耗低等特點(diǎn)，適合在氣體拉曼分析系統(tǒng)中使用。

拉曼散射;硅雪崩光電二極管;單光子;雪崩

拉曼光譜技術(shù)是一項集合了無損、快速、準(zhǔn)確等優(yōu)勢的物質(zhì)結(jié)構(gòu)探測技術(shù)，近年來在晶體材料、醫(yī)藥檢疫、寶石鑒定等方面獲得快速發(fā)展。然而，在氣體分析領(lǐng)域，由于分子密度很小，拉曼技術(shù)很難獲得足夠強(qiáng)的信號，以致于沒有得到廣泛的應(yīng)用。為了解決這一問題，深入研究了微弱光探測技術(shù)，從探測靈敏度上形成技術(shù)突破。通過對半導(dǎo)體材料吸收效應(yīng)和光電效應(yīng)理論的深入探討，發(fā)現(xiàn)雪崩光電二極管擁有較光電倍增管更高的量子效率。所以選用一種由硅雪崩光電二極管組成的多像素倍增器件作為光電轉(zhuǎn)換器，設(shè)計了一套單光子探測系統(tǒng)。

1 探測器總體設(shè)計方案

針對存在的噪聲來源合理設(shè)計探測器，就能夠最大程度地減少噪聲，有效提高信噪比。利用硅半導(dǎo)體材質(zhì)構(gòu)成的雪崩光電二極管，將單個光子引發(fā)的雪崩電流脈沖輸出，之后進(jìn)行統(tǒng)計累加，用一定時間內(nèi)計數(shù)值的大小表征散射光的強(qiáng)弱。系統(tǒng)圍繞APD設(shè)計了5個主要模塊［1］:偏置/測試電源、溫控模塊、信號調(diào)理、脈沖輸出和計數(shù)模塊，如圖1所示。

圖1 單光子探測系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)計探測元件選用濱松公司的MPPC探測器S12577-050，金屬封裝中含有熱敏電阻和微型半導(dǎo)體制冷片，可工作在-20℃～60℃環(huán)境中，響應(yīng)波長范圍320 nm～900 nm，具有低雪崩電壓、低后脈沖幾率、低暗計數(shù)和高量子效率的特點(diǎn)。信號調(diào)理模塊主要包括電流電壓脈沖轉(zhuǎn)換、甄別器判定放大和雪崩抑制電路。當(dāng)有光子進(jìn)入探測器的受光面，引起的雪崩電流脈沖在取樣電阻上產(chǎn)生電壓脈沖，與設(shè)定的甄別電平進(jìn)行比較，通過甄別器輸出到有源抑制電路中完成對光子脈沖的判定和對偏置工作狀態(tài)的恢復(fù)。抑制電路中判定后引出的脈沖信號作為有效信號，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換輸出到計數(shù)模塊。計數(shù)模塊主要由分頻器和計數(shù)器組成，計數(shù)功能由單片機(jī)內(nèi)置模塊承擔(dān)，而分頻器是考慮到可能達(dá)到的10 MHz脈沖頻率而設(shè)計的，對信號的引入也起到緩沖作用。

系統(tǒng)的主要工作電源采用開關(guān)功率穩(wěn)壓芯片LM2596T-ADJ，利用反饋調(diào)節(jié)輸出電壓為5 V。其負(fù)載電流可達(dá)3 A，內(nèi)部150 kHz的固定頻率易于濾除干擾，降低了紋波系數(shù)。在輸出末端加入一個π型濾波電路，進(jìn)一步降低電源輸出的紋波。之后加有兩路可調(diào)電阻，可滿足測試點(diǎn)的0～3.3 V電平輸入需求，用于代替單片機(jī)的DA數(shù)字化控制，如圖2所示。

圖2 工作電源和雪崩抑制電源

下路是雪崩抑制電路中需要的淬滅電源，設(shè)計目標(biāo)電壓為6 V，配合偏置電壓及時熄滅雪崩效應(yīng)。而與之關(guān)聯(lián)的高速開關(guān)供電和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作電源也都必須采用這一電平。

2 探測器各部分設(shè)計方案

2.1 偏置電源

根據(jù)使用的MPPC器件資料顯示［2-3］，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)。為使探測器輸出性能穩(wěn)定，要求偏置電壓穩(wěn)定，紋波系數(shù)小，設(shè)計有3種高壓源可作對比，以便在測試后根據(jù)實驗數(shù)據(jù)挑選合適的電源。這些電源方案分別記為級聯(lián)串壓電源(HVCC)、低功倍壓電源(HVLP)和高功升壓電源(HVHP)。

2.1.1 級聯(lián)串壓方案

級聯(lián)串壓是將多組交流電全橋整流并穩(wěn)壓后串聯(lián)起來，共同提供累高電壓的一種最簡單的方式，記為級聯(lián)串壓電源(HVCC)。級聯(lián)串壓電源示意圖，如圖3所示。

圖3 級聯(lián)串壓電源示意圖

2.1.2 低功倍壓方案

選用MAX5026芯片，它的最大輸出電壓36 V達(dá)不到雪崩二極管的擊穿電平，因此，在輸出端增加了兩組電荷泵進(jìn)行倍壓，如圖4所示。

圖4 高壓低功率電源

2.1.3 高功升壓方案

選用MAX15059，它是另一種PWM調(diào)制升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，可調(diào)輸出最高達(dá)76 V，固定400 kHz的開關(guān)頻率易于濾波。芯片內(nèi)置有電流監(jiān)視器，能夠以±5%的精度檢測500 nA～4 mA范圍內(nèi)的電流。為了有效保護(hù)APD，該芯片還提供了外接電阻調(diào)整限流大小，如圖5所示，可以防止光功率瞬變導(dǎo)致的電流激變。

圖5 高壓高功率電源

2.2 探測器的溫度控制

雪崩光電二極管工作時，低溫環(huán)境對單光子探測很重要，因此降低溫度就是溫控系統(tǒng)最主要的目的［4］。此外，APD的雪崩電壓會跟隨溫度的下降而減小，溫度的漂移將導(dǎo)致蓋革工作狀態(tài)的不穩(wěn)定，因此必須對溫度進(jìn)行嚴(yán)格的恒溫控制，工作狀態(tài)中的溫度浮動最好能限制在0.1℃以下。

圖6說明了整個恒溫閉環(huán)控制的原理，用半導(dǎo)體制冷片來降低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(diǎn)。

圖6 溫度控制原理框圖

2.3 探測器的信號處理

在APD兩端加上一個高于雪崩電壓幾伏的偏置電壓，光照會引發(fā)雪崩二極管內(nèi)產(chǎn)生雪崩電流，通過取樣電阻就能轉(zhuǎn)換為電壓信號［5］。在獲得足夠探測到的電流大小后需要對雪崩效應(yīng)加以抑制，并促使其加速恢復(fù)到待探測狀態(tài)，為下一次檢測做好準(zhǔn)備。雪崩抑制有3種控制方法:無源抑制(Passive quenching)、有源抑制(Active quenching)和門控模式(Gated mode)。

無源抑制雖然實現(xiàn)方式簡單，但較長的恢復(fù)時間限制了光子計數(shù)率，嚴(yán)重降低了探測系統(tǒng)的總體性能。有源抑制方式則不像無源抑制中通過電阻和電容的自然充放電時間來控制雪崩的淬滅和恢復(fù)，而是靠一套快感應(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［6］。如圖7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(jìn)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(jìn)入下一個周期的等待狀態(tài)。

圖7 有源抑制時序示意圖

無源控制和有源控制都使APD工作時始終處于高于雪崩電壓的狀態(tài)，這對于某些場合是極大的功耗浪費(fèi)，更容易縮短APD的使用壽命，因此發(fā)展出一種門脈沖控制模式［7］，如圖8所示。在待機(jī)狀態(tài)時，給APD的偏置電壓處于低于雪崩電壓的水平，即此時的APD沒有進(jìn)入蓋革探測模式，控制門處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)需要進(jìn)入探測工作狀態(tài)或已知光子即將到達(dá)時，提高APD兩端電壓值，使其處于蓋革模式，控制門開啟，探測完一定時間后則立即關(guān)閉，恢復(fù)到低壓狀態(tài)。

圖8 無源門脈沖控制的等效電路

可控的“開門”工作時間使探測器的損耗降到最低，而且抑制周期與器件的響應(yīng)速度無關(guān)，可以更精確地截斷雪崩脈沖，有效減小后脈沖與暗電流的影響，可最大化發(fā)揮出探測元件的性能。

2.4 探測器的測試模塊

了解傳感器特性最直接的方式就是將可調(diào)節(jié)的偏置電壓加在雪崩二極管的反向兩端，測量反向電流，從而分析反向偏壓、溫度、照度等因素對二極管工作狀態(tài)的影響。為此除了之前設(shè)計的偏置電壓源，必須還有一種可調(diào)節(jié)范圍更大、線性度更好且能進(jìn)行精確電流監(jiān)控的測試電源，以及一個微小電流放大器，用來測試APD的雪崩特性。

2.4.1 線性可調(diào)測試電源

選用芯片ADL5317，它專用于對APD進(jìn)行性能測試，配合恒溫控制，測量擊穿電壓、暗電流等參數(shù)，為單光子探測系統(tǒng)的正常工作做好準(zhǔn)備［8］。ADL5317線性可調(diào)節(jié)輸出電壓范圍達(dá)6 V～75 V，可以充分測試APD反向偏壓升高過程中暗電流的變化。內(nèi)置的鏡像電流源能按5∶1的比例復(fù)制APD通道上的電流，監(jiān)測范圍為5 nA～5 mA，在10 nA～1 mA范圍內(nèi)精度可達(dá)0.25%，遠(yuǎn)高于MAX15059的電流監(jiān)控精準(zhǔn)度，因此該方案用于線性調(diào)整偏置電壓對APD反向電流的特性研究，記為帶精確鏡像電流源的測試電源(HVCM)。

2.4.2 APD鏡像電流監(jiān)測

由于雪崩二極管在雪崩之前的反向光電流只有nA級別，而暗電流更是只有在反向擊穿后才會開始倍增并逐漸超過光電流，為精確描繪反向電流隨偏壓的變化曲線，采用跨導(dǎo)線性對數(shù)運(yùn)算放大器AD8305將微電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，而監(jiān)測電流則來自于ADL5317的鏡像電流輸出IPDM［9-10］。配合ADL5317給雪崩二極管供應(yīng)反向偏置電壓，工作于線性放大模式，AD8305可以有效監(jiān)測10 nA～1 mA的鏡像電流，動態(tài)范圍達(dá)到105倍，如圖9所示。

圖9 鏡像電流轉(zhuǎn)換電路

3 探測器性能測試

3.1 電源測試

設(shè)計的偏置電源都帶有可調(diào)節(jié)性，通過引入一個電平值即可改變輸出電壓。電平值可以用工作電源下的測試可調(diào)電阻模塊，也可直接從單片機(jī)DAC輸出［11］。4種電源模式的比較如表1所示。

表1 偏置電源模塊可供電壓范圍

3.2 溫度測試

將測試區(qū)的可調(diào)電阻視作熱敏電阻的阻抗輸入RT，調(diào)節(jié)RT，用萬用表逐次測量電路中的測試點(diǎn)，記錄6組數(shù)據(jù)至表2。其中，USET為溫度設(shè)定的輸入電平，UT為熱敏電阻轉(zhuǎn)換后的輸出電平，UCTRL為電流源控制電壓，UREF為芯片MAX1968提供的參考電平，UVI是芯片提供的輸出電流轉(zhuǎn)換成的電壓值，ITEC則是萬用表測得的實際輸出電流。

表2 溫度控制測試結(jié)果

3.3 靈敏度測試

在300 mW泵浦激光的激發(fā)作用下，用于分析氣體組分的拉曼信號非常微弱，直接用普通光功率計是無法測得準(zhǔn)確數(shù)值的，為此利用發(fā)光二極管的線性輸出特性來估算拉曼信號強(qiáng)度［12］，以及探測器的響應(yīng)靈敏度。

用直線擬合的方法得到圖10中的關(guān)系方程，當(dāng)工作電流為1 mA時，計算得到LED輸出光強(qiáng)為2.59×10-10W。此時，用單光子探測器測量得到計數(shù)值約為2.81 Mcps，扣除暗計數(shù)后可以算出計數(shù)一次對應(yīng)的平均光強(qiáng)約為9.30×10-17W，也就意味著響應(yīng)靈敏度為1.075×1 010 Count/μW。

圖10 發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度與工作電流的關(guān)系

4 總結(jié)

根據(jù)單光子探測器的原理和工作條件，設(shè)計了探測器的基礎(chǔ)硬件，包括偏置電源、測試模塊、恒溫控制和信號處理部分。對探測器的電源模塊，溫度控制模塊和靈敏度進(jìn)行了性能測試。結(jié)果表明:探測器具有響應(yīng)靈敏度高、分析速度快、體積小巧、功耗低等特點(diǎn)，適合在氣體拉曼分析系統(tǒng)中使用。

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張超(1992-)，男，漢族，碩士研究生，就讀于南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，主要研究方向為檢測技術(shù)與自動化裝置，zcairv@163.com;

王曉榮(1972-)，男，漢族，江蘇阜寧人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為分析儀器設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、機(jī)電系統(tǒng)綜合控制，wang@njtech.edu.cn。

Design of Gas Raman Single Photon Detector Based on the APD

ZHANG Chao，WANG Xiaorong*，XU Xinyue，CHENG Congcong

(College of Electrical Engineering and Control Science，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，China)

According to the characteristics of Raman scattering light，a silicon avalanche photodiode is used to compose ofmulti-pixel doubling device as a photoelectric converter.To reduce noise during detecting，the detector has modules of reverse bias supply with low ripple voltage，temperature control and fast avalanche suppression module.Moreover，it owns a testmodule which is exclusively for the study of avalanche phenomenon，and the performance is optimized by adjusting circuit parameters.The results indicate that the detector has high detection sensitivity，rapid analysis speed，small size and low power consumption，suitable for using in Raman gas analysis system.

raman scattering;silicon avalanche photodiode;single photon;avalanche

C:7230

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.004

TP212

:A

:1005－9490(2017)01－0016－06

2016-01-15修改日期:2016-02-29