高精度雪崩光電二極管偏置電源

魏正軍,王金東

(華南師范大學光子信息技術廣東普通高校重點實驗室,廣東廣州510006)

0 引 言

量子保密通信系統為遠程用戶提供了一種絕對安全的密鑰分發方案[1],獲得了國內外科學家的廣泛關注與研究。隨著量子保密通信技術的興起,圍繞工作于通信波段的紅外單光子探測器的研究工作更加活躍起來。目前,單光子的檢測是采用基于InGaAs APD的單光子探測器實現的,其原理是:使APD工作于雪崩擊穿電壓之上,這時APD的倍增因子趨近于無窮大,一個光生載流子將觸發一個巨觀的雪崩脈沖,供后級電路進行單光子判讀。為了降低暗計數率和后脈沖率,APD都工作在門控模式下[2]:APD被直流電源偏置在雪崩擊穿電壓之下,當光子到達時,門控電源輸出一個門控脈沖。門控脈沖與直流偏置電壓疊加,使得光子到達瞬間APD上的工作電壓大于雪崩擊穿電壓,從而實現單光子探測。因為APD的倍增因子隨偏置電壓的增大而急劇增大,在雪崩擊穿電壓之上,偏置電壓的微小變化,都會導致APD輸出特性的極大變化。因此對偏置電源的溫度系數和紋波電壓大小都提出了很高的要求,目前的APD偏置電源都是為工作在線性區的APD設計的,在紋波電壓、溫度穩定性方面難以滿足工作在蓋革模式的APD的要求。本文提出了一種使用開關電源產生高電壓,采用線性穩壓電源獲得高穩定度,低紋波值的APD偏置電源方案。

1 用于單光子探測的APD對偏置電源的要求

目前使用的APD在偏置電壓變化0.1 V時,探測效率變化超過26.3%,暗計數率變化超過79.7%。如果要求探測效率的變化小于5%,那么偏置電壓的變化應小于19 mV。以偏置電壓為45 V計,電源輸出電壓的變化必須小于0.0422%。以常用的APD偏置電源產生芯片美信公司的max5026為例,它的溫度系數約為36 mV/℃,紋波電壓大小為100 mV,難以滿足工作在蓋革模式下的APD的需求。而線性穩壓電源可以提供較低的紋波電壓,采用深度反饋電路配合高精度的電壓基準,可以實現非常高的輸出電壓穩定性。但是,線性穩壓電源無法進行升壓變換。

2 用于單光子探測的APD的偏置電源方案

提出了采用 max5026把5 V的電源電壓升壓到71 V,再通過線性穩壓電源濾除開關電源的紋波,同時把輸出電壓穩定在45 V的高精度低紋波APD偏置電源方案。其中,開關電源部分的電路如圖1所示,采用美信公司的低噪聲、固定頻率PWM芯片max5026[3]。

max5026的開關頻率為500 kHz,其內部的橫向DMOS開關器件具有40 V的極限耐壓,這還達不到In GaAsAPD的40～65 V的工作電壓范圍。因此在外部加上由C3、C4、D2和D3構成的倍壓網絡,使開關電源的輸出電壓可高達71 V。

圖1 開關電源部分的原理圖

線性穩壓電源部分的電路如圖2所示,采用一個德州儀器公司的精密電壓基準源REF5040提供穩定的參考源,它的溫度系數小于3 ppm/℃。誤差放大器采用三極點,雙零點補償的拓撲結構,能夠很好地抑制開關電源產生的紋波電壓,同時獲得足夠高的反饋深度,穩定偏置電源的輸出電壓。利用AD8571開環增益145dB的優勢形成一個深度負反饋的環路,這樣電源的溫度穩定性就主要受分壓取樣電阻的溫度系數影響了。采用高品質的電位器等效成兩個電阻來取樣輸出電壓,因為是同一個電阻膜,所以兩個等效的電阻溫度系數的一致性很好,其溫度漂移相互抵消,獲得了較好的穩定性。

圖2 線性電源部分的原理圖

3 實驗結果與討論

圖3 偏置電源的輸出紋波電壓

采用開關電源與線性穩壓電源結合的方案,對電路的輸出電壓進行了為期一周的測量,溫度變化范圍為6～19℃,在輸出電壓為45 V時,測量結果為:溫度系數為1.1 mV/℃,紋波電壓為100 μ V,如圖3所示。這樣在室溫為10℃到25℃之間變化時,輸出電壓的變化為16.5 mV,滿足用于單光子探測的APD對偏置電源的要求。

[1]Bennett C H,Brassard G.Quantum Cryptography:Public Key Distribution and Coin Tossing[J].Proceedings of the IEEE,1984:175.

[2]Kang Y,Bethune D S,Risk W P,Lo Y H,APDs for single-photon detection at telecom wavelength[J].Optics Letters,2002,27(11):954-956.

[3]http://china.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/3138.