馮小溪 張櫟存 康小麓

為實(shí)現(xiàn)高光子測(cè)量效率，快速控制雪崩淬滅，縮短死區(qū)時(shí)間，并對(duì)光子脈沖進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)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(jì)出高效雪崩二極管探測(cè)器。針對(duì)雪崩淬滅和電壓恢復(fù)抑制方式不同，對(duì)雪崩抑制電路的被動(dòng)和主動(dòng)模式進(jìn)行分析與仿真。測(cè)試結(jié)果表明：全被動(dòng)模式雖然電路模型簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但是死區(qū)時(shí)間過長(zhǎng)，光子數(shù)目測(cè)量率較低；而主動(dòng)工作模式可以實(shí)現(xiàn)高效計(jì)數(shù)，極大限度地縮短死區(qū)時(shí)間，克服偏壓恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)的缺陷。本文利用高速放大器的高速特性，設(shè)計(jì)出精密快速的抑制電路，用以控制探測(cè)器的雪崩淬滅和電壓恢復(fù)，實(shí)施了主動(dòng)淬滅與快恢復(fù)相結(jié)合的抑制電路。

引言

本文研究一種新式光電探測(cè)技術(shù)-----單光子探測(cè)技術(shù)，它能夠利用光電效應(yīng)，檢測(cè)單個(gè)光子并進(jìn)行計(jì)數(shù)。單個(gè)光子入射到光電倍增器件上會(huì)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(jì)數(shù)電路根據(jù)脈沖幅度大小對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，其中單光電子峰的脈沖幅度較大，探測(cè)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(cè)、大氣測(cè)污、天文測(cè)光等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，前景頗好。

近年來(lái)，致力于尋求能夠獲得較好結(jié)果的設(shè)計(jì)探測(cè)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(diǎn)被廣泛應(yīng)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(yīng)使其快速恢復(fù)至等待狀態(tài)，從而準(zhǔn)備對(duì)下一個(gè)光子進(jìn)行探測(cè)。

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

APD 等效電路模型

如圖1 所示，APD 的等效電路模型為一個(gè)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(wú)光子入射，有光子入射時(shí)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(jí)。

被動(dòng)淬滅模式

被動(dòng)淬滅模式也可稱之為無(wú)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(hào)從取出。

在單光子探測(cè)器工作過程中，當(dāng)無(wú)光子到達(dá)時(shí)，探測(cè)器處于等待狀態(tài)，APD 兩端電壓Va 略高于雪崩電壓，此時(shí)開關(guān)S 斷開。當(dāng)有光子入射時(shí)，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(dāng)下降到雪崩電壓Vb 時(shí)，雪崩抑制。抑制完成后，APD中的結(jié)電容通過兩個(gè)電阻進(jìn)行充電，使APD 的電壓再次回升到Va，此時(shí)探測(cè)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(dòng)淬滅模式電路圖

圖3 被動(dòng)淬滅模式仿真電路圖

圖4 被動(dòng)淬滅仿真波形

通過PSPice 仿真軟件對(duì)被動(dòng)淬滅模式進(jìn)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(shí)可知，發(fā)生雪崩時(shí)間為：

發(fā)生淬滅后APD 兩端電壓恢復(fù)時(shí)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(dòng)淬滅工作原理

圖6 主動(dòng)淬滅電路原理圖

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

主動(dòng)淬滅模式

主動(dòng)淬滅模式如圖5 所示，分析發(fā)現(xiàn)主動(dòng)模式相當(dāng)于在被動(dòng)模式后加上兩個(gè)模塊，即反饋淬滅環(huán)路以及偏壓恢復(fù)延時(shí)模塊。

具體工作原理如下：探測(cè)器探測(cè)到光子入射，經(jīng)放大器將信號(hào)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(shí)現(xiàn)了所謂的主動(dòng)淬滅，淬滅完成后經(jīng)短暫延時(shí)，K2 閉合，形成APD極小的負(fù)載，主動(dòng)快速的恢復(fù)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(cè)器的雪崩淬滅和電壓恢復(fù)，實(shí)施了主動(dòng)淬滅與快恢復(fù)相結(jié)合的抑制電路。圖6 為主動(dòng)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(dāng)光子入射，發(fā)生雪崩，產(chǎn)生雪崩信號(hào)，經(jīng)過AD8001 比較器將雪崩信號(hào)進(jìn)行放大，濾波后通過比較器產(chǎn)生控制信號(hào)（比較器的參考電壓Vref 可通過單片機(jī)D/A 功能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)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?gòu)氐状銣缪┍?。調(diào)節(jié)VQ，選取適當(dāng)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(dòng)淬滅與快恢復(fù)完成后，APD 重新回到等待光子到來(lái)的狀態(tài)。

設(shè)計(jì)電路時(shí)需要注意經(jīng)過限流大電阻的取值要合適，如果過大將會(huì)使偏壓回復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，如果過小將會(huì)使器件的功耗過大或不能及時(shí)抑制雪崩，而取樣電阻的選擇也要考慮信號(hào)強(qiáng)度與后級(jí)放大電路輸入阻抗參數(shù)。

通過PSPice 仿真軟件對(duì)主動(dòng)淬滅模式進(jìn)行仿真，如圖8 所示。

其中a 點(diǎn)為有光子進(jìn)入的時(shí)刻，b 點(diǎn)為R4 上方產(chǎn)生的電壓等于V4 的時(shí)刻，c 點(diǎn)為延遲后開始快速恢復(fù)電壓的時(shí)刻。

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

結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)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(shí)，設(shè)計(jì)出精密快速的抑制電路，用以控制探測(cè)器的雪崩淬滅和電壓恢復(fù)，實(shí)施了主動(dòng)淬滅與快恢復(fù)相結(jié)合的抑制電路，使探測(cè)器可以在更加安全高效的模式下工作。在設(shè)計(jì)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(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

單光子探測(cè)技術(shù)近年來(lái)有著廣泛的應(yīng)用，備受人們關(guān)注，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：系統(tǒng)增益變化、光電探測(cè)器的漂移以及其它不穩(wěn)定因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響不大；大部分熱噪聲的影響被消除，對(duì)測(cè)量結(jié)果的信噪比也有著明顯的提高；同時(shí)由于可以輸出數(shù)字信號(hào)，可與計(jì)算機(jī)接口連接，從而進(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理。因此，對(duì)于單光子探測(cè)技術(shù)的研究尤為重要，以APD 作為核心器件設(shè)計(jì)測(cè)探器能獲得較好結(jié)果，這種APD 單光子探測(cè)器主動(dòng)抑制技術(shù)有不錯(cuò)的前景。

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