近紅外SPAD標定的偏壓偏流控制系統研究

高雪峰,洪占勇,蔣連軍

(1.安徽省航空結構件成形制造與裝備實驗室,安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學工業與裝備技術研究院,安徽 合肥 230009；3.科大國盾量子技術股份有限公司,安徽 合肥 230088)

1 引 言

近年來,通信市場表現出強勁的發展趨勢,光通信產業迅速增長,尤其是以量子通信為代表的新興產業,持續對單光子探測器件提出更高的技術要求[1]。單光子雪崩二極管(SPAD)是一種新型高靈敏度光電傳感器件,具有很強的內部增益可用于識別微弱的光信號,已成為量子通信領域的關鍵共性器件[2]。1550 nm波段的近紅外光具備人眼安全性,在光纖中傳播損耗低,被大量廣泛應用到單光子通信中[3]。SPAD的性能由探測效率、暗記數率、后脈沖等參數綜合決定,這些參數往往相互影響、相互制約,因此SPAD的測量是一個系統性工作,只有全面測量標定關聯參數,才能反映其真實性能[4-6]。SPAD用于單光子探測時需要提供Pin_N到Pin_P的反向偏置電壓使其工作在蓋革模式[7]。通過對SPAD特性的研究,可知偏壓控制值的變化會對SPAD性能參數值的測量產生重要影響。為保證測量標定結果的準確性,偏壓控制精度目標值為±30 mV,同時要求能夠實時檢測給到SPAD管偏壓信號的電流,反映其雪崩電流的大小。

針對SPAD標定過程中要求的高精度偏壓控制及偏流檢測功能,研究了一種偏壓控制及偏流檢測系統。該系統達到了較高的偏壓控制精度及檢測精度,且具有較強的系統穩定性。并通過實驗驗證了高精度偏壓控制系統的可行性及微分非線性誤差,檢驗了偏流檢測功能,滿足近紅外1550 nm SPAD標定系統的要求。

2 系統原理

本文設計了一種基于FPGA的偏壓控制及偏流檢測系統,用于近紅外1550 nm SPAD標定系統。設計原理如圖1所示。系統分為偏壓控制與偏流檢測兩部分電路實現。上位機通過FPGA將偏壓控制信號HV下發,然后控制16位DAC芯片AD5665輸出相應的模擬電壓信號Hv_ctrl,實現數字信號與模擬信號的轉換,經過運算放大器芯片OPA454A進行電壓的反向放大后配置到待測SPAD相應管腳,從而實現偏壓控制的功能。

偏壓信號線上串接一個Sense電阻,通過電流檢測器件IN282AID檢測其輸出電壓,使用恒流源REF200AU驅動電阻R進行電壓補償,達到將偏流檢測轉換成電壓檢測的目的,輸出電壓經過運算放大器芯片OPA2350進行電壓放大發送給模數轉換芯片AD7682。FPGA讀取AD7682采集的電壓值,再通過公式推導換算成偏流值。IN282AID工作電壓由AD5665產生參考電壓進行電壓跟隨及高壓運放控制供給。

圖1 系統設計原理圖Fig.1 System design schematic

3 軟硬件實現方案

3.1 偏壓控制電路

單光子雪崩光電二極管是具有強內部增益的高量子效率器件,實際使用中的光電二極管通常采用PIN結構,用于單光子探測時工作在二極管的反向導通區,即電壓為負,P端接低電壓。當反向電壓大于二極管雪崩電壓時,內部載流子激增進入雪崩倍增狀態。繼續增加反向偏壓,當電壓超過擊穿電壓時,二極管進入擊穿狀態,也就是我們通常提到的蓋革模式。這一工作模式下,僅有一個光子入射也可以迅速激發載流子產生光電流。外加的反向偏壓越大二極管內部電場就會越強,激發產生的內部電流也就越大。所以SPAD在標定過程中需要高精度的偏置電壓,微小的偏置電壓變化可能導致暗計數率、后脈沖率、探測效率等參數的較大波動[8]。

為保證設計電路的控制精度采用高精度DAC和高穩定性電源。模數轉換芯片選用AD公司設計的16 bit高精度DAC芯片AD5665,內部集成了進程控制、數據采集、數字增益和偏移調整、可編程電壓和電流源、可編程衰減器等功能。芯片采用I2C總線進行數據的傳輸,具有極低的電流消耗,抗高噪聲干擾。在Verf=2.5 V時,控制精度小于0.5 mV,供電電源紋波小于10 mV。OPA454A構成反向放大器,其電壓增益變換關系式為:

G=-R9/(R7+R8)

(1)

其中,R9=200 kΩ,R7=100 Ω,R8=10 kΩ,可得電壓增益G為-19.8。AD5665輸出模擬電壓信號Hv_ctrl范圍:0～5 V。OPA454A芯片采用5 V+/-75 V供電,故輸出偏壓范圍0～75 V。BAV99LT1是一種開關二極管,起保護和抑制傳導抗擾的作用。具體設計如圖2所示。采用低功耗器件AD5665與運放芯片OPA454A極大的簡化了電路設計,并可通過上位軟件下發參數精準的進行SPAD偏壓的配置。

圖2 偏壓控制電路設計原理圖Fig.2 Schematic diagram of bias voltage control circuit design

3.2 偏流檢測電路

偏置電流作為SPAD另一重要參數,反映了SPAD雪崩電流的大小,SPAD標定設備通過檢測偏流值來確認待測SPAD管的暗電流以及進行強光預警。偏流檢測電路在HV偏壓信號線上串接一個Sense電阻,電阻兩端分別接到電流檢測器件INA282AID的IN+和IN-引腳,INA282AID(0.3 μV/℃ 0.005 %/℃ 50 V/V)是電壓輸出電流并聯監控器,此監控器能夠感測-14～80 V的共模電壓壓降,與電源電壓無關。采用零漂移架構可以使得電流感測在整個分流器上的最大壓降降低至10 mV的滿量程,檢測兩引腳之間的電壓差關系式如下:

Vsense=(Vin+)-(Vin-)=Isense·Rsense

(2)

芯片通過外圍電路配置在雙向輸出的工作狀態,IN282AID輸出電壓為:

Vout=50·Vsense+V0

(3)

其中,V0為芯片的基準電源,為電源參考值的一半。INA282AID放大精度恒定,這在一定程度上降低了偏流值轉換額外誤差的引入。由于輸出Vout值為負電壓無法被AD7682采集,并且輸出負電壓幅值較高,首先考慮對其進行反向衰減達到AD7682輸入電壓識別范圍。但是光強變化引起的1550 nm SPAD偏流變化值很小(通常為μA量級),反向衰減會降低檢測精度增大誤差。同時當運算放大器工作在放大倍數小于1的情況時,電路工作不穩定會引入較大系統誤差。故排除反向衰減方案,電路上設計采用200 μA恒定電流的恒流源REF200AU驅動電阻R進行補償,將輸出電壓補償為正電壓,高穩定性的恒流輸出是保證偏流檢測準確性的關鍵。然后通過運算放大芯片OPA350將補償后電壓放大輸出至AD7682,FPGA讀取AD7682上傳電壓值,再通過偏流擬合換算為偏流值。具體設計如圖3所示,通過電流檢測器件的應用實現了將偏流檢測轉換為電壓值檢測的目的,使用高穩定性恒流源保證了FPGA的有效識別,并且保障了檢測精度。

圖3 偏流檢測電路設計原理圖Fig.3 Schematic diagram of bias current detection circuit design

3.3 上位機軟件

上位機軟件開發使用C++語言,Qt5.9.2開發環境,為測試用戶提供便捷的控制接口,協助測試用戶完成SPAD性能測試。在完成硬件電路設計的基礎上,上位機軟件主要實現參數配置,參數查詢,控制命令及偏流擬合的功能。上位機軟件參數配置查詢與數據實時上傳功能實現如圖4所示,提供了一種良好的用戶交互體驗,數據下發與查詢方便快捷。

圖4 上位機界面Fig.4 Host computer interface

AD7682采集的信號是待測SPAD偏流變化時引起的電路輸出電壓值的波動,為實現SPAD參數標定過程中實時檢測偏流值的功能,上位機需要對AD7682采集的電壓值進行轉換得到實際偏流值。已知恒流源REF200AU輸出電流Iref,實際檢測電壓值:

Vsens=Iref·R14-Vout

(4)

綜合公式(2)、(3)、(4)可得:

Isense=(Iref·R14-V0-Vsens)/(50·Rsense)

(5)

公式(5)實現了Vsens與Isense對應關系式的確立。INA282AID檢測電流:

Isense=HV/R12+Ihv

(6)

易知Ihv與FPGA識別上傳的Vsens采樣電壓ADC值之間存在線性對應關系。上位機處理方式:用上位機軟件設置多組HV值,讀取每個HV值對應于AD7682采樣的電壓ADC值,并計算得到相對應的偏流值數據。將采樣電壓ADC值作為X軸,理論偏流值作為Y軸進行數據擬合,取值范圍必須足夠分散,以保證擬合曲線的精度。當近紅外1550 nm SPAD標定系統正常工作時,SPAD檢測到光子輸入產生雪崩信號,偏流值變化進而引起電路輸出值Vsense變化,AD7682輸入電壓產生變化,FPGA讀取AD7682上傳ADC值,代入數據到擬合曲線中計算得到實時偏流值。

4 實驗測試與結果分析

待測SPAD選用1550 nm 波長的InGaAs單光子雪崩光電二極管進行測試,利用上位機設置不同偏壓控制值,起始值50 V,步進2 V,終止值70 V,測試對應FPGA下發值,OPA454A輸入電壓值,以及實際的輸出偏壓,測試結果如表1所示。

表1 偏壓控制測試結果Tab.1 Bias voltage control test results

微分非線性度(differential nonlinearity,DNL)是任意兩個相鄰碼之間測量的變化與理想的1LSB變化的差別,不超過1LSB的微分非線性保證了系統的單調性[9]。

DNL=|[VD+1-VD]/VLSB-IDEAL-1|

(7)

其中,0

上位機線性擬合功能驗證:上位機設置偏壓值HV,以4.5 V為步進取值十組數據,偏壓取值范圍10～50 V,測試標定系統采集ADC值并繪制線性擬合曲線如圖5所示。

圖5 線性擬合曲線Fig.5 Linear fit curve

從圖中可得,線性擬合函數為Y=-0.0023X+83.145,SPAD實際偏流值跟隨電壓采樣ADC值波動呈線性變化,經驗證上位機線性擬合功能正常。

為驗證偏流檢測功能,將SPAD標定設備輸入光強標定為單光子狀態,配置偏壓、溫度等參數使得待測SPAD在正常工作狀態,改變輸入光功率,觀察上位機APD偏流值顯示并記錄數據如表2所示。可得,當輸入光強發生改變時上位機顯示偏流值實時改變,且隨光強增加偏流值逐漸增加。

表2 偏流檢測測試結果Tab.2 Bias current test results

5 結 論

通過選用高精度DAC、高穩定性電源及高壓運放的偏壓控制系統設計,最高輸出電壓可達75 V,電壓控制精度小于30 mV,輸出紋波經過濾波后小于100 mV,上位機下發控制電壓與實際測試電壓具有良好的一致性,滿足測試APD對偏壓的要求。同時,利用電流檢測器件、恒流源補償、高壓運放組成的偏流檢測電路可監測對應的偏流值,并通過上位機界面進行實時的顯示,反應SPAD的工作電流。實踐證明,設計電路工作性能理想,上位機界面用戶交互友好,操作簡潔方便,提高了系統控制精度,滿足使用要求,已經應用于近紅外1550 nm SPAD標定系統中,工作穩定可靠。