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、超高分辨率光譜學、非線形光學、光時域反射等現(xiàn)代科學技術(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，在電路設計上較復雜。
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)生的可預知噪聲頻譜，更容易濾除，如加LC濾波網(wǎng)絡；÷ (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)中也得到廣泛應用。