王　凡，蒋书波，胡佳琳

（南京工业大学电气工程与控制科学学院，南京211816）

APD单光子探测的电路设计*

王凡，蒋书波*，胡佳琳

（南京工业大学电气工程与控制科学学院，南京211816）

在气体分析领域，由于分子密度的减小，拉曼技术很难获得足够强的信号，为提高检测灵敏度，利用雪崩光电二极管设计了单光子探测器，来检测微弱的拉曼光。系统围绕APD设计了3个主要模块：偏置/测试电源、温控模块、信号调理。测试了系统的暗计数率，并用标准气校验了系统的准确度。实验结果表明：标准差最大为0.905，按总量程计算可得重复性相对偏差为0.905%，而非线性误差取最大引用误差0.13%。其多次测量结果的线性度很好，能够用于线性检测。

单光子探测；硅雪崩光电二极管；雪崩抑制；气体拉曼分析；偏置电源

近年来，光子计数技术发展迅速，在光谱测量、无损检测、高能物理、量子通讯、生物医疗、天文观测等领域有着广泛的应用［1-2］。

利用不同的光电转换原理和改进技术，可以用作单光子探测核心的光电转换元件有很多，例如使用外光电效应激发电子的光电倍增管、微通道板和微球板电子倍增器，以及使用内光电效应增加载流子浓度的雪崩光电二极管和真空光电二极管［3］。国外已经利用 SiAPD开发出适用于40 nm～1 000 nm波段的商用单光子探测器，而针对1 310 nm和1 550 nm的近红外单光子探测器的研究也日渐成熟［4-5］。

相比于普通PN结光电二极管，雪崩光电二极管在结构上做了一些改进，使它能承受更高的偏置电压［6］，产生足够强的结电场，加速光生载流子从而使得光电流倍增，最小可探测功率约为1×10-9W［7］，所以APD成为目前微弱光信号检测中应用最为广泛的高灵敏光电探测器［8］。

雪崩光电二极管有两种工作模式，分别是线性放大模式和盖革模式，线性放大模式用于雪崩光电二极管的特性测试，本文结合光子计数技术，把盖革模式作为单光子探测的正常工作模式。

1　单光子探测器系统设计

1.1偏置电源设计

APD的正常工作离不开反向偏置的高电压电源。根据使用的MPPC器件资料显示，雪崩击穿电压在65 V左右，因此设计工作偏置电压范围在80 V以下可调。

MAX15059是一种PWM调制升压型DC-DC转换器，可调输出最高达76 V，为了有效保护APD，该芯片还提供了外接电阻调整限流大小，防止光功率瞬变导致的电流激变，输出功率可达300 mW，具有更高的可用功率。

图1　高压高功率电源

电压调节的是利用反馈电阻和基准电压的配合。此处的基准电平为1.23 V，使用电阻引出电压控制端。如图1所示，将升压后的输出电压通过一个RC低通滤波输入到BIAS端口，在集成芯片内部经过一个高精度的电流监视器再由APD端口与雪崩二极管的阴极相连，这样流过二极管的电流就完全处于该芯片的控制之下了。RC低通滤波截止频率可用式（1）进行估算：

当电阻R为100 Ω，电容C为0.1 μF时，计算得出截止频率f为15.9 kHz。

1.2PI温度控制设计

雪崩光电二极管工作时，低温环境是必需的。APD的雪崩电压会跟随温度的下降而减小，温度漂移将导致盖革工作状态的不稳定，因此应对温度进行控制，浮动最好能限制在0.1℃以下［9］。利用半导体制冷片（TEC）来降低APD内腔温度，而实时温度测量由热敏电阻完成。制冷片与热敏电阻都集成在MPPC封装管中，具有体积小巧、重量轻、无噪声、功耗低的优点。通过压控电流源控制流过TEC的电流来控制制冷功率。

为更好地达到恒温控制的效果，设计了PI控制电路，热敏电阻转换当前温度为电压信号，首先进行比例放大，再加入积分环节运算，最终改变电流源控制电平的输入。

已知APD工作时内部热敏电阻的阻值大约在15 kΩ，串联一个同样为15 kΩ的低温漂电阻，组成分压电路将热敏电阻阻值转换为电压值，并输入运放的正相输入端。轨至轨运算放大器MAX4477的差分输入阻抗高达1 000 GΩ，可以直接从热敏电阻分压电路中接取电压信号。反相输入则由外部温度控制端口和一个电压跟随器来提供，或由可调电阻来设定。

如图2所示，热敏电阻的分压和设定温度电压分别被输入运放正反相输入端，其差值按比例放大。

假设热敏电阻分压为UT，设定温度电压为USET，则UU3A输出电压可表示为

比例系数为R18/R17=10，放大后的差值进行积分运算，得到输出电压：

反馈电路中，电阻和电容串联用来吸收高频干扰，减小纹波，RC值决定了吸收频率，电阻值决定吸收深度。从式（4）中可以看出，按恒温条件计算应满足UU3A=UREF，则控制电压应设为

此时的UT应取目标温度通过对照图2转换得到的电压值。

图2　温度设定与PI调节电路

1.3雪崩抑制

有源抑制是靠一套快感应电路模块把雪崩电流产生的脉冲信号迅速反馈到APD的偏置电源系统中，主动降低APD两端的电压促使雪崩停止，之后在可控时间内恢复到正常偏压［10］。

如图3所示，当有雪崩电流发生时，取样电阻上出现雪崩电压信号，信号首先经过甄别器，若是超过设定的电平值则判定为有效光子数。判定后的雪崩信号上升沿进入单稳态触发器M1，M1输出高电平并持续时间T1，在T1时间内开关K1被闭合，此时APD阳极电平被拉高至熄灭电平的水平，完成对雪崩效应的淬灭。M1完成时间后会恢复输出为低，开关K1断开，同时下降沿将触发单稳态触发器M2。同样的，M2也会持续输出高电平一段时间，记为T2。在T2时间内，开关K2被闭合，将APD阳极拉低至地，消除后脉冲以减少伪脉冲数量。M2输出完成后，探测器进入下一个周期的等待状态。

从取样电阻上引出的信号送到甄别器反相输入端，当产生的电压脉冲幅值超过正相输入端设定好的阈值电平时，甄别器输出下降沿。甄别器采用轨至轨高速比较器ADCMP602，传递时间仅有3.5 ns，完全兼容TTL和CMOS标准，如图4。在输出端连接固定阻值电阻和一个变阻器，可调节范围为0～1.707 V，则调整灵敏度为0.3 mV/Ω。

图3　有源抑制时序示意图

M1、M2选用高速CMOS逻辑双单稳态多谐振荡器CD74HC221，传递时间不超过36 ns。开关选用单刀单掷高速逻辑4开关芯片74HC4066，传递时间仅为2 ns，开关延迟 13 ns。上述两款芯片都符合CMOS电平标准，由于使用开关驱动比自身工作供电高的电平时可能引起器件损坏，因此用雪崩抑制电源同时给两者供电，确保抑制电平能起到淬灭雪崩的作用。单稳态触发器的输入采用TTL电平标准，工作在6 V时的高电平阈值为4.2 V，因此可由高速比较器的CMOS输出电平正常过渡到此处的低压电平。

图4　抑制控制电路原理图

2　系统性能测试

根据核心器件APD阵列的特性，调整工作参数：温度-19℃，偏置电压66.27 V，脉冲甄别阈300 mV。用铝板制作探测器的外壳，将探测器封装在内，盖住受光面营造成一个暗环境。用SMB射频屏蔽线将探测器的信号输入单片机控制板，采集到的脉冲信号经过滤波处理，上传至上位机程序进行测试。

2.1暗计数率

暗计数是指在无光环境下探测器信号的输出脉冲数。直接采样计数值输出。借助探测器外壳和适当的遮光措施，在温度恒定后开始读取输出脉冲数，得到统计结果。在图5中，采样周期选择1 s，未标定，得到暗计数率的平均值为23.623 kc/s，与器件手册上说明的一致。

图5　恒定的测试环境下探测系统的暗计数

2.2标定误差

用光纤引导腔内发出的拉曼光，经过滤光片，到达探测器接收面。选用输出功率300 mW、波长532 nm的激光作为光源，滤光片的中心波长为610 nm，产生的拉曼频移对应于氮气的主特征峰附近。

用纯氩气先对检测腔进行吹扫，待探测器输出值稳定后作为零点样气进入标定序列，然后分别使用含氮55%、90%和99%的标准样气进行标定。软件自动计算出线性拟合的系数CL1和CL2，之后的计数值将通过式（6）换算成浓度百分比在分析结果区域显示，未启用激光输出检测时，Glaser取1。

对标准样气进行重复性和线性度测试，测试结果如表1所示，其中含氮量为0的是纯氩气，标准差按赛贝尔公式计算。从依次对选取的4种标准样气进行反复测试的结果可以看出，标准差最大为0.905，按总量程计算可得重复性相对偏差为0.905%，而非线性误差取最大引用误差0.13%。测试结果表明，虽然单光子探测系统的重复性偏差较大，但其多次测量结果的线性度很好，能够用于线性检测。

表1　探测系统误差测试结果

3　结束语

通过对微弱光探测器发展现状的了解，选择使用硅雪崩光电二极管多像素计数器作为核心光电器件，击穿电压仅为65 V。运用光子计数理论，设计了单光子探测器。温度恒定使用热敏电阻感温、PI调节、压控电流源驱动半导体制冷片的控制策略。对探测系统的暗计数率、标定误差进行了测试，结果表明探测系统能正确探测到拉曼信号的变化，具有灵敏度高、分析速度快、体积小、功耗低的特点，并已能搭载到气体拉曼分析仪系统中。

［1］张鹏飞，周金运.单光子探测器及其发展［J］.传感器世界，2003（10）：6-10.

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［3］杨照金，李琪，解琪，等.单光子探测器及其校准技术研究［C］//中国计量测试学会光辐射计量学术研讨会论文集.西安：中国计量测试学会光辐射计量专委会，2012：54-59.

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［5］王益疯，杨淼，宋文星.APD主/被动红外成像读出电路设计［J］.电子器件，2011，34（6）：659-663.

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［10］Kang Y，Lu H X，Lo Y H.［J］.Appl Phys Lett，2003，83（14）：2955.

王凡（1991-），男，江苏连云港人，南京工业大学硕士研究生，研究方向为谐振腔增强拉曼效应；

蒋书波（1979-），女，黑龙江哈尔滨人，南京工业大学电气工程与控制科学学院副教授，研究方向为工业检测嵌入式，1209780391@qq.com。

Circuit Design of Single-Photon Detector Based on APD*

WANG Fan，JIANG Shubo*，HU Jialin
（College of Electrical Engineering and Control Science，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China）

In the field of gas analysis due to the reduced molecular density，Raman technique is difficult to obtain a sufficiently strong signal，a single photon detector is designed based on an avalanche photodiode to improve the detection sensitivity of the weak Raman light.The system has four main modules around APD：offset/test power supply，temperature control module，signal conditioning，pulse output.The dark count rate of the system is tested，and by using the standard gas the accuracy of the system was calibrated.The results showed that standard deviation is up to 0.905，according to the totalprocess，reproducibility relative standard deviation can be calculated to 0.905%，while the non-linear error to take as maximum reference error is 0.13%.Its good linearity measurements can be used for linear detection.

photon detector；silicon avalanche photodiode；avalanche quenching；gas analysis by Raman；bias power

TP116.02

A

1005-9490（2016）05-1093-05

项目来源：国家自然科学基金项目（61308066）

2015-09-15修改日期：2015-12-29

EEACC:7230C10.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.015