1 引 言
單光子探測是一種檢測極微弱光的方法,，在近紅外波段,，雪崩光電二極管(APD)是探測極微弱光的主要器件之一。APD是一種能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換且具有內(nèi)部增益的高靈敏度光電探測器,，其工作電壓不高,，噪聲相對較小，非常適合極微弱光信號(如單個光子信號)的探測。
由于單光子探測是在高技術(shù)領(lǐng)域的重要地位,，他已經(jīng)成為各發(fā)達國家光電子學(xué)重點研究的課題之一,。在量子密鑰分發(fā)、天文測光,、分子生物學(xué),、超高分辨率光譜學(xué)、非線形光學(xué),、光時域反射等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中,，都涉及到極微弱光信號的檢測問題。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出來是實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)的關(guān)鍵。APD是實現(xiàn)單光子探測的核心器件,。在單光子探測器設(shè)計中,，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，才能達到較高的探測效率,。然而在蓋格模式時,，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),，其雪崩過程是一個復(fù)雜的隨機過程,，通常用平均雪崩增益M來表示。M與擊穿電壓Vbr,、偏置電壓Vb的關(guān)系可用以下經(jīng)驗公式來描述：
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小，不足以捕捉到單個光子信號,。二是偏置電壓稍高于擊穿電壓,，理論上雪崩增益為無窮大，一個注入耗盡層載流子就能觸發(fā)APD雪崩,，產(chǎn)生mA量級的電流,，使單光子探測成為可能。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)計顯得尤為重要,。
當APD的反向偏置電壓高于雪崩擊穿電壓時,，偏壓的任何微小抖動都能改變APDs結(jié)區(qū)場強的大小，不但能影響到APD的雪崩增益M還會為探測器帶來了非光子脈沖噪聲,，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帶來的噪聲,。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帶來工頻干擾,，單光子探測器核心器件APD若沒做好足夠的電磁屏蔽,，也會為探測帶來額外的誤差。在較高直流電壓輸出時,，要作到高穩(wěn)定度和低紋波輸出,，在電路設(shè)計上較復(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,。工作時使用一個工作于非連續(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電流環(huán),、印刷電路板線條和元件管腳問的電容向周圍電路輻射或傳導(dǎo)進來的噪聲，近一步減小可能帶來的噪聲,。
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)時倍壓電路的工作過程如下：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：
(1) MAX5026內(nèi)部較慢FET上升和下降時間降低時間降低了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，在室溫時其雪崩擊穿電壓30～60 V不等,，雪崩擊穿電流為mA量級,，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：
其中,，Vc是控制輸入電壓基準，其大小從0～2.500 V可調(diào),。
實驗發(fā)現(xiàn),，當電路的控制輸入電壓為2.500 V即輸出電壓為71 V輸出時，1 mA電流負載時具有100 mVp-p的紋波輸出,，若在輸出端并聯(lián)一個1μF或更大一點的低等效串聯(lián)電阻(ESR)和低等效串聯(lián)電感(ESL)電容時,，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雪崩擊穿時電壓的需要,。
4 數(shù)控輸出APD直流偏壓源
有時使用的APD是帶溫度補償?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。在控制部分單片機讀取APD組件中熱敏電阻的值,，從而修正APD的偏置電壓,，能實現(xiàn)對APD的溫度補償，此外也可以進一步修正電源電壓波動帶來增益的變化,。
在此電路中,，MAX6102是2.5 V基準電壓源。通過控制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,，步長為45.4 mV,。如當DAC的串行輸入數(shù)據(jù)為3FFH時,，即控制輸入電壓為0 V時,，輸出電壓為71.32 V，當串行輸入數(shù)據(jù)為000H時,，輸出電壓為24.79 V,，此時控制輸入電壓為2.500 V。如想得到步長更小的電壓輸出,，可選用多位數(shù)模轉(zhuǎn)換器來替代MAX5304,，如低功耗滿幅輸出12位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7512可將步長降低到11 mV左右。
5 結(jié) 語
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)計簡單和穩(wěn)定性高等一系列優(yōu)點,。實驗結(jié)果表明，該偏壓電路能夠滿足單光子探測時APD對直流偏壓源的要求,。此外,，鑒于這些優(yōu)點，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,。