APD 單光子探測器的抑制技術(shù)

馮小溪 張櫟存 康小麓

為實現(xiàn)高光子測量效率，快速控制雪崩淬滅，縮短死區(qū)時間，并對光子脈沖進行準確計數(shù)，在分析光電二極管雪崩增益特性及工作原理的前提下，設(shè)計出高效雪崩二極管探測器。針對雪崩淬滅和電壓恢復抑制方式不同，對雪崩抑制電路的被動和主動模式進行分析與仿真。測試結(jié)果表明：全被動模式雖然電路模型簡單，容易實現(xiàn)，但是死區(qū)時間過長，光子數(shù)目測量率較低；而主動工作模式可以實現(xiàn)高效計數(shù)，極大限度地縮短死區(qū)時間，克服偏壓恢復時間較長的缺陷。本文利用高速放大器的高速特性，設(shè)計出精密快速的抑制電路，用以控制探測器的雪崩淬滅和電壓恢復，實施了主動淬滅與快恢復相結(jié)合的抑制電路。

引言

本文研究一種新式光電探測技術(shù)-----單光子探測技術(shù)，它能夠利用光電效應，檢測單個光子并進行計數(shù)。單個光子入射到光電倍增器件上會產(chǎn)生光電子，光電子通過倍增系統(tǒng)產(chǎn)生電脈沖，稱其為單光子脈沖。計數(shù)電路根據(jù)脈沖幅度大小對其進行計數(shù)，其中單光電子峰的脈沖幅度較大，探測器噪聲（主要是熱噪聲）為幅度較小的脈沖；隨著單光子技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已在量子信息技術(shù)、高能物理、生物發(fā)光、放射探測、大氣測污、天文測光等領(lǐng)域有著廣泛的應用，前景頗好。

近年來，致力于尋求能夠獲得較好結(jié)果的設(shè)計探測器的器件，以雪崩光電二極管（APD）作為核心器件由于具有量子效率高、功耗低、體積小等優(yōu)點被廣泛應用。而APD 通常所加反向電壓高于其雪崩電壓，也就是常說的工作在蓋革模式下。為解決雪崩不能自然停止問題，不僅需采取措施快速抑制雪崩，并在抑制過程結(jié)束后，應使其快速恢復至等待狀態(tài)，從而準備對下一個光子進行探測。

本文首先分析了APD 器件的等效電路模型，用于對后面電路進行仿真，第2 部分分析了雪崩抑制電路被動模式的工作原理，并對其進行仿真，對仿真結(jié)果進行分析。第3 部分分析了雪崩抑制電路主動模式的工作原理以及詳細介紹設(shè)計原理，并對其進行仿真，分析設(shè)計出的高效控制雪崩淬滅與電壓恢復的電路結(jié)果；第4 部分進行總結(jié)，并對該領(lǐng)域展望未來。

APD 等效電路模型

如圖1 所示，APD 的等效電路模型為一個光控開關(guān)K 與電壓源Vb 的串聯(lián)構(gòu)成，光控開關(guān)K 模擬有無光子入射，有光子入射時開關(guān)閉合。電壓源 bV 為APD 的雪崩電壓值。dR 為APD 等效內(nèi)阻，Cd為APD 的結(jié)電容，Cp為分布電容，它的值一般為皮法量級。

被動淬滅模式

被動淬滅模式也可稱之為無源抑制方式，如圖2 所示，由限流大電阻與取樣電阻串聯(lián)而成，雪崩信號從取出。

在單光子探測器工作過程中，當無光子到達時，探測器處于等待狀態(tài)，APD 兩端電壓Va 略高于雪崩電壓，此時開關(guān)S 斷開。當有光子入射時，雪崩發(fā)生，開關(guān)K閉合，由于限流大電阻分壓，APD 兩端的電壓開始下降，當下降到雪崩電壓Vb 時，雪崩抑制。抑制完成后，APD中的結(jié)電容通過兩個電阻進行充電，使APD 的電壓再次回升到Va，此時探測器又一次回到了等待狀態(tài)。

圖1 APD 器件及其等效電路模型

圖2 被動淬滅模式電路圖

圖3 被動淬滅模式仿真電路圖

圖4 被動淬滅仿真波形

通過PSPice 仿真軟件對被動淬滅模式進行仿真，其電路圖如圖3 所示，電路相關(guān)參數(shù)取值如下：Vb=170V，Rd=10k，Cd=2pF，Cp=9pF，Va=176V，R1=300kΩ，Rs=1k。

由基本電路知識可知，發(fā)生雪崩時間為：

發(fā)生淬滅后APD 兩端電壓恢復時間為：

由于R1 起到限流作用，只有取較大阻值才能保證安全淬滅雪崩，即

圖5 主動淬滅工作原理

圖6 主動淬滅電路原理圖

因此電壓恢復充電時間常數(shù)（t2）較大（如圖4 所示），這也就造成了被動模式下電壓恢復時間較長的這一缺點。為防止下一光子到達時，電壓還沒有完全恢復這一現(xiàn)象發(fā)生，我們考慮選擇主動模式。

主動淬滅模式

主動淬滅模式如圖5 所示，分析發(fā)現(xiàn)主動模式相當于在被動模式后加上兩個模塊，即反饋淬滅環(huán)路以及偏壓恢復延時模塊。

具體工作原理如下：探測器探測到光子入射，經(jīng)放大器將信號放大后，通過比較器輸出脈沖控制開關(guān)K1 作用，使APD 兩端電壓快速下降至Va-VQ，通過調(diào)節(jié)VQ，Va-VQ 低于APD 的雪崩電壓，使也就是實現(xiàn)了所謂的主動淬滅，淬滅完成后經(jīng)短暫延時，K2 閉合，形成APD極小的負載，主動快速的恢復電壓。

結(jié)合以上過程分析，放大器模塊采用AD8001 芯片，比較器模塊采用AD8611 高速比較器，用以控制探測器的雪崩淬滅和電壓恢復，實施了主動淬滅與快恢復相結(jié)合的抑制電路。圖6 為主動淬滅電路原理圖。

圖7 參考電壓調(diào)節(jié)模塊

圖8 APD 兩端電壓

當光子入射，發(fā)生雪崩，產(chǎn)生雪崩信號，經(jīng)過AD8001 比較器將雪崩信號進行放大，濾波后通過比較器產(chǎn)生控制信號（比較器的參考電壓Vref 可通過單片機D/A 功能根據(jù)實際情況進行設(shè)置），控制開關(guān)管Q1，使得APD 兩端電壓快速降到雪崩電壓以下，即Va-VQ＜Vb，從而加速徹底淬滅雪崩。調(diào)節(jié)VQ，選取適當大小，使用LM1117 芯片可調(diào)節(jié)VQ 大小，其調(diào)節(jié)范圍為3.3V-5.4V，如圖7 所示；在主動淬滅與快恢復完成后，APD 重新回到等待光子到來的狀態(tài)。

設(shè)計電路時需要注意經(jīng)過限流大電阻的取值要合適，如果過大將會使偏壓回復時間延長，如果過小將會使器件的功耗過大或不能及時抑制雪崩，而取樣電阻的選擇也要考慮信號強度與后級放大電路輸入阻抗參數(shù)。

通過PSPice 仿真軟件對主動淬滅模式進行仿真，如圖8 所示。

其中a 點為有光子進入的時刻，b 點為R4 上方產(chǎn)生的電壓等于V4 的時刻，c 點為延遲后開始快速恢復電壓的時刻。

分析結(jié)果：比較圖8 與圖4（被動模式下APD 兩端電壓），可明顯看出設(shè)計出來的方案能夠?qū)崿F(xiàn)快速控制雪崩淬滅，縮短死區(qū)時間，減少恢復電壓的時間。

結(jié)束語

本項目利用高速放大器的高速特性，以及高速非門的邏輯電路用于延時，設(shè)計出精密快速的抑制電路，用以控制探測器的雪崩淬滅和電壓恢復，實施了主動淬滅與快恢復相結(jié)合的抑制電路，使探測器可以在更加安全高效的模式下工作。在設(shè)計過程中有許多需要考慮的問題，取值的合適，器件的選擇等都會影響實驗結(jié)果。

單光子探測技術(shù)近年來有著廣泛的應用，備受人們關(guān)注，其主要優(yōu)點如下：系統(tǒng)增益變化、光電探測器的漂移以及其它不穩(wěn)定因素對測量結(jié)果的影響不大；大部分熱噪聲的影響被消除，對測量結(jié)果的信噪比也有著明顯的提高；同時由于可以輸出數(shù)字信號，可與計算機接口連接，從而進行數(shù)字數(shù)據(jù)處理。因此，對于單光子探測技術(shù)的研究尤為重要，以APD 作為核心器件設(shè)計測探器能獲得較好結(jié)果，這種APD 單光子探測器主動抑制技術(shù)有不錯的前景。

雖然單光子探測技術(shù)已取得較大成就，但隨著科技日益進步，人們對高科技的需求也不斷增加，顯然，目前對單光子探測技術(shù)的研究還是不夠深刻。因此，本文呼吁對探測器件結(jié)構(gòu)應進行更深刻研究，同時，也應該不斷改進外圍控制電路，以改善探測技術(shù)，使其更好地發(fā)展，運用到更加廣闊的領(lǐng)域中。