夏海峰，辛云宏

(陕西师范大学物理学与信息技术学院，西安710062)

基于雪崩二极管阵列的光子计数器研制

夏海峰，辛云宏

(陕西师范大学物理学与信息技术学院，西安710062)

介绍了光子计数的基本原理，并以雪崩二极管阵列为探测器，设计并实现了光子计数器系统.给出了入射光检测、信号调理、光子数判定、计数器及电源等功能模块的原理框图及部分硬件电路，同时，对部分关键技术与电路进行了详细的分析与说明.实际测试结果表明，所设计光子计数器基本达到了预期设计指标，可用于实际检测过程.

光子计数器;雪崩二极管;猝熄电路;可编程逻辑器件

随着检测技术的发展，对弱光的检测要求越来越高.用通常的直流测量方法，已不能把淹没在噪声中的信号提取出来.近年来，由于锁相放大器在信号频带很宽或者噪声与信号有同样频谱时显得无能为力，并且它还受模拟积分电路漂移的影响，因此锁相放大器在弱光测量时受到了一定的限制.由此发展起来的光子计数器却有着良好的工作性能，弥补了锁相放大器的不足和缺陷［1］.

光子计数器采用单光子计数方法，它利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术将其弱信号识别并提取出来.目前，光子计数器的探测器一般采用高电流增益、大光敏面积低噪音的光电倍增管，但是同时光电倍增管也存在体积大、反偏压高、量子效率低下、抗外部磁场能力差的缺点.而雪崩二极管恰好具有体积小、反偏压较小、量子效率高、功耗低、工作频谱范围大等优点［2－3］，基于这一思想，本文在单光子计数器的基础上采用雪崩二极管阵列为探测器，分别从入射光检测、信号调理、光子数判定、计数器及电源五大模块完成了光子计数器的设计，并完成雪崩二极管外围电路的设计.

1 光子计数器的原理

1.1 理论依据［4］

光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为零，有一定能量的粒子.当光很弱时，光的粒子性就表现出来.一个光子的能量可用下式确定:E=hυ=hc/λ，式中c=3.0×108m/s是真空中的光速，h=6.6×10－34J·S是普朗克常数.光强度常用光功率表示，单位为W.单色光的光功率可用下式表示:P=R· E，式中R为单位时间通过某一截面的光子数.即只要测得R，就可得到光功率.

1.2 光子计数器原理

光子计数器利用了光的量子性质，光子撞击光探测器的阴极产生光电子，形成光电流脉冲.光电流脉冲的个数与光阴极接收的光子数成正比，这些脉冲经放大后进入比较器.比较器具有预先设置的阈值，幅度小于这个值的脉冲不能通过，而幅度大于这个值的脉冲通过比较器后成为标准幅度的脉冲进入计数器.于是，被测光的强度与单位时间内计数脉冲的个数成正比［5］.

2 光子计数器的系统设计

根据测试要求，所设计的光子计数器包含入射光检测、信号调理、光子数判定、计数器以及电源五个模块，系统原理框图如图1所示，各模块的基本功能描述如下:

入射光检测在光子计数器应用中，由于探测信号十分微弱，暗噪声则是关键参数，要求暗噪声计数值小，输出电流稳定，受极间电压波动影响小，为了将光信号转换成离散的电信号脉冲，方便后面的电信号处理，我们采用雪崩光电二极管阵列.

信号调理电路主要由偏置电路、前置放大电路和QC(Quenching Circuit)电路构成.由于雪崩光电二极管工作在反向偏压下，所以必须在其两端加适当的反向偏置电压.在光子计数器中，光照射雪崩光电二极管激发出来的光信号非常微弱，所以在雪崩二极管后增加前置放大电路，该电路的主要作用是将雪崩二极管输出的微弱电流信号转换为电压信号，并进行放大输出.在光子探测中，由于雪崩光电二极管一般是工作在“盖革模式”下，在这种模式下，雪崩光电二极管两端的偏压大于雪崩电压，当有光子信号到达APD时，被APD吸收，并使APD迅速雪崩，APD并不能够自发地猝熄雪崩，为防止APD持续通过大电流烧坏，也为了能够对下一个光子信号产生响应，需要采取相应的外围电路，即QC电路［6］，使雪崩发生后迅速地被切断，并使APD恢复到接受光子的状态.

信号经过调理后，为了能够确定光子的数目，必须通过比较器将信号转换成脉冲信号，以便后面的计数模块处理.

计数模块电路的作用将脉冲信号通过CPLD计数，通过单片机在LCD上显示计数结果.

光子计数器中用到了+100V，+25V，+12V，+5V和+3V电源.+100V给APD提供反向偏压，+ 25V和+12V为猝熄电路提供电压，+5V为系统中的各个芯片提供电压，+3V为控制电压.

3 光子计数器的实现

3.1 探测器和电源模块

入射光检测使用的探测器为雪崩光电二极管阵列，它是一种建立在内光电效应基础上的光电器件，具有内部增益和放大的作用，一个光子可以产生10－100对光生电子空穴对，从而能够在器件内产生很大的增益，其工作在反向偏压下，反向偏压越高，耗尽层当中的电场强度也就越大，当耗尽层中的电场强度达到一定程度时，耗尽层中的电子空穴对就会被电场加速，而获得巨大的动能，他们与晶格发生碰撞，就会产生新的二次电离的光生电子空穴对，新的电子空穴对又会在电场的作用下获得足够的动能，再一次与晶格碰撞又产生更多的光生电子空穴对，如此下去，形成所谓的“雪崩”倍增，使信号电流放大［7］.

整个系统共用到了+100V、+25V、+12V、+5V、+3V五种不同的电源.为了满足设计要求，系统采用四节可充电电池供电，其中+25V、+12V和+5V可通过开关电源芯片MC34063对电池进行升压处理后得到，+100V可通过BYH05模块进行升压得到，控制电压+3V可通过线性稳压块得到.其模块框图如图2所示:

MC34063A芯片内部包含有基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器以及RS触发器和大电流输出开关电路等.其输入电压范围为2.5～40V，输出电压可调范围为1.25～40V，输出电流最大可达 1.5A，其最高工作频率可达100KHz.MC34063A具有很低的静态电流，且具有短路电流限制功能，可实现升压或降压电源变换器.

+3V电源可通过线性稳压芯片AMS1117－3.3对电池电压稳压，在经过R1和R2分压得到.

+100V可通过BYH05模块进行升压得到，BYH05是一款高压DC－DC转换器，其输出电压在0－100 V，输出电压随控制电压的变化而变化，当控制电压为3V时，输出电压达到+100V.

3.2 信号调理

信号调理电路主要由偏置电路、前置放大电路和QC电路构成.偏置电路原理图如图3所示，+100V为APD反向偏置电压，R3和R4分别为50K和50Ω.

前置放大电路采用低噪音、高速、宽频带运放OP37，这样可以避免基线校正的麻烦，以及适用于高计数率的工作状态，使光子计数器的动态范围大大扩展，并可允许采用长的积累时间来提高探测信噪比［8］.由于从APD输出的电流为0.8mA，负载R4为50Ω，则在R4段输出40 mV，光电子的脉冲宽度为10ns–20ns，设置R6为1K，反馈电阻R7为10K，放大倍数为10，可以使电压信号放大到400mV.前置放大电路原理图，如图4所示:

由于要使APD的灵敏度达到能探测单光子，其工作电压要高于雪崩击穿电压，这种工作模式称为盖革模式［9］.在盖革模式下，任何光子的吸收都会产生自恃雪崩，如不加以抑制将导致APD的损坏，所以需要抑制电路进行控制，即QC电路.早期有无源抑制和有源抑制电路，这种电路使APD处于高于雪崩电压状态，对其寿命有不利影响，并且由后脉冲和散粒噪声导致暗记数很多，后来又发展了门控模式，即让APD两端的电压高于雪崩电压，当光子要到达时，向APD提供一个门脉冲电压使其处于接受单光子状态，雪崩过后即将门关上使APD两端电压恢复到低电压状态［7］.门模式可以更有效地降低猝灭时间和减少恢复时间与暗记数，并且延长了APD的工作寿命.通过门方式，是由于热激发而产生暗记数的概率大大降低.因此光子计数器研究用的APD电路都用门控模式.为了保持门脉冲与光子到达同步，尤其是远距离传输时怎样使光子到达时门刚好打开，我们采用QC电路［10］.为用精确地时序开关控制电路雪崩猝灭与恢复过程，将雪崩信号反馈到APD加速其猝灭，然后将于APD串联的高阻切换为低电阻从而达到快速充电恢复的目的［11］，产生猝熄和恢复延时一种常用的方法是采用单稳态振荡电路，定时由RC确定.因此，每次改变延时时间，就必须改变RC.这样就比较繁琐，为了解决这一问题，我们设计了电路，其原理图如图5所示，T4和T5的栅极接CPLD的两个I/O管脚，通过CPLD定时来控制QC电路.当光子被APD吸收，脉冲信号送给CPLD的同时，触发QC电路.在静态时，三极管T1，T2，T3，T5都是断开的，T4也是断开的，一旦CPLD有脉冲输入，CONT1置高电平，T4导通，使T1截止，APD处于恢复状态，同时CONT2置高电平，使T5导通，直到下一下脉冲到来.

3.3 光子数判定

光子数判定我们采用多通道方式，通过初级放大形成8路，设置门限，当光脉冲高于门限电压时，输出标准脉冲，当光脉冲低于门限电压时，无输出，经8路比较器送到CPLD，比较器选用高增益、宽频带的LM393.

3.4 计数模块

计数模块我们采用型号为EPM7128SLC84－7N的CPLD来实现.其内部包括8个24位计数模块、时序控制模块、数据接口模块等功能单元.系统框如图6所示.

3.5 控制模块

控制模块采用C8051F020单片机，其主要功能是读取键盘输入数据，并根据键盘输入设置各种测试参数、控制时序，同时将测试结果通过LCD上显示出来.系统框图如图7所示.

4 结束语

采用雪崩二极管阵列进行光子探测是一项很有发展前景的应用技术，本文在理论研究和实验的基础上，设计并实现了一个可用于实际检测的光子计数器，实际系统基本达到了预期设计的指标，可应用于弱光测量、微量物质检测等多个领域.

［1］郭婧，张河，张祥金.激光引信雪崩二极管光电探测［J］.探测与控制学，2010，32(1):77－83.

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［责任编辑 牛怀岗］

Abstract:The paper describes the basic principles of the photon counter，and implements a photon counter system with an avalanche diode array as the light detector.It gives the functional block diagram and circuits of themodule of the incident light detector，signal disposal，photon number determination，counter and power supply，and analysis and explanation in detail for key technology and circuits.The actual test results show that the designed photon countermeets the expected specifications，and can be used for the actual detection process.

Key words:photons counter;avalanche photodiode array;quenching circuit;programmable logic device

The Development of a Photon Counter System w ith an Avalanche Diode Array

XIA Hai-feng，XIN Yun-hong
(School of Physics and Information Technology，Shaanxi Normal University，Xi’an 710062，China)

TP203

A

1009—5128(2011)02—0038—04

2011—01—07

科技部项目—863计划:高灵敏度纳米膜爆炸物探测仪便携式设备(08201021032)

夏海峰(1984—)，男，陕西杨凌人，陕西师范大学物理学与信息技术学院无线电物理专业硕士研究生.研究方向:光子探测与计数;辛云宏(1967—)，男，陕西蒲城人，陕西师范大学物理学与信息技术学院副教授，博士.研究方向:多传感器信息融合、WSN的组网与节点定位技术、被动目标的检测与跟踪等.