张超，王晓荣，许新岳，程聪聪

(南京工业大学电气工程与控制科学学院，南京210009)

基于APD的气体拉曼单光子探测器设计

张超，王晓荣*，许新岳，程聪聪

(南京工业大学电气工程与控制科学学院，南京210009)

根据拉曼散射光的特点，选用一种由硅雪崩光电二极管(APD)组成的多像素倍增器件作为光电转换器，设计了一套单光子探测器。为降低探测过程的噪声，探测器部分设计有低纹波偏压、恒温控制和快速雪崩抑制模块.并配有用于雪崩特性研究的测试模块，并通过调整电路参数优化探测性能。测试结果表明:探测器具有响应灵敏度高、分析速度快、体积小巧、功耗低等特点，适合在气体拉曼分析系统中使用。

拉曼散射;硅雪崩光电二极管;单光子;雪崩

拉曼光谱技术是一项集合了无损、快速、准确等优势的物质结构探测技术，近年来在晶体材料、医药检疫、宝石鉴定等方面获得快速发展。然而，在气体分析领域，由于分子密度很小，拉曼技术很难获得足够强的信号，以致于没有得到广泛的应用。为了解决这一问题，深入研究了微弱光探测技术，从探测灵敏度上形成技术突破。通过对半导体材料吸收效应和光电效应理论的深入探讨，发现雪崩光电二极管拥有较光电倍增管更高的量子效率。所以选用一种由硅雪崩光电二极管组成的多像素倍增器件作为光电转换器，设计了一套单光子探测系统。

1 探测器总体设计方案

针对存在的噪声来源合理设计探测器，就能够最大程度地减少噪声，有效提高信噪比。利用硅半导体材质构成的雪崩光电二极管，将单个光子引发的雪崩电流脉冲输出，之后进行统计累加，用一定时间内计数值的大小表征散射光的强弱。系统围绕APD设计了5个主要模块［1］:偏置/测试电源、温控模块、信号调理、脉冲输出和计数模块，如图1所示。

图1 单光子探测系统功能结构框图

设计探测元件选用滨松公司的MPPC探测器S12577-050，金属封装中含有热敏电阻和微型半导体制冷片，可工作在-20℃～60℃环境中，响应波长范围320 nm～900 nm，具有低雪崩电压、低后脉冲几率、低暗计数和高量子效率的特点。信号调理模块主要包括电流电压脉冲转换、甄别器判定放大和雪崩抑制电路。当有光子进入探测器的受光面，引起的雪崩电流脉冲在取样电阻上产生电压脉冲，与设定的甄别电平进行比较，通过甄别器输出到有源抑制电路中完成对光子脉冲的判定和对偏置工作状态的恢复。抑制电路中判定后引出的脉冲信号作为有效信号，经过电平转换输出到计数模块。计数模块主要由分频器和计数器组成，计数功能由单片机内置模块承担，而分频器是考虑到可能达到的10 MHz脉冲频率而设计的，对信号的引入也起到缓冲作用。

系统的主要工作电源采用开关功率稳压芯片LM2596T-ADJ，利用反馈调节输出电压为5 V。其负载电流可达3 A，内部150 kHz的固定频率易于滤除干扰，降低了纹波系数。在输出末端加入一个π型滤波电路，进一步降低电源输出的纹波。之后加有两路可调电阻，可满足测试点的0～3.3 V电平输入需求，用于代替单片机的DA数字化控制，如图2所示。

图2 工作电源和雪崩抑制电源

下路是雪崩抑制电路中需要的淬灭电源，设计目标电压为6 V，配合偏置电压及时熄灭雪崩效应。而与之关联的高速开关供电和单稳态触发器的工作电源也都必须采用这一电平。

2 探测器各部分设计方案

2.1 偏置电源

根据使用的MPPC器件资料显示［2-3］，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。为使探测器输出性能稳定，要求偏置电压稳定，纹波系数小，设计有3种高压源可作对比，以便在测试后根据实验数据挑选合适的电源。这些电源方案分别记为级联串压电源(HVCC)、低功倍压电源(HVLP)和高功升压电源(HVHP)。

2.1.1 级联串压方案

级联串压是将多组交流电全桥整流并稳压后串联起来，共同提供累高电压的一种最简单的方式，记为级联串压电源(HVCC)。级联串压电源示意图，如图3所示。

图3 级联串压电源示意图

2.1.2 低功倍压方案

选用MAX5026芯片，它的最大输出电压36 V达不到雪崩二极管的击穿电平，因此，在输出端增加了两组电荷泵进行倍压，如图4所示。

图4 高压低功率电源

2.1.3 高功升压方案

选用MAX15059，它是另一种PWM调制升压型DC-DC转换器，可调输出最高达76 V，固定400 kHz的开关频率易于滤波。芯片内置有电流监视器，能够以±5%的精度检测500 nA～4 mA范围内的电流。为了有效保护APD，该芯片还提供了外接电阻调整限流大小，如图5所示，可以防止光功率瞬变导致的电流激变。

图5 高压高功率电源

2.2 探测器的温度控制

雪崩光电二极管工作时，低温环境对单光子探测很重要，因此降低温度就是温控系统最主要的目的［4］。此外，APD的雪崩电压会跟随温度的下降而减小，温度的漂移将导致盖革工作状态的不稳定，因此必须对温度进行严格的恒温控制，工作状态中的温度浮动最好能限制在0.1℃以下。

图6说明了整个恒温闭环控制的原理，用半导体制冷片来降低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。

图6 温度控制原理框图

2.3 探测器的信号处理

在APD两端加上一个高于雪崩电压几伏的偏置电压，光照会引发雪崩二极管内产生雪崩电流，通过取样电阻就能转换为电压信号［5］。在获得足够探测到的电流大小后需要对雪崩效应加以抑制，并促使其加速恢复到待探测状态，为下一次检测做好准备。雪崩抑制有3种控制方法:无源抑制(Passive quenching)、有源抑制(Active quenching)和门控模式(Gated mode)。

无源抑制虽然实现方式简单，但较长的恢复时间限制了光子计数率，严重降低了探测系统的总体性能。有源抑制方式则不像无源抑制中通过电阻和电容的自然充放电时间来控制雪崩的淬灭和恢复，而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［6］。如图7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。

图7 有源抑制时序示意图

无源控制和有源控制都使APD工作时始终处于高于雪崩电压的状态，这对于某些场合是极大的功耗浪费，更容易缩短APD的使用寿命，因此发展出一种门脉冲控制模式［7］，如图8所示。在待机状态时，给APD的偏置电压处于低于雪崩电压的水平，即此时的APD没有进入盖革探测模式，控制门处于关闭状态。当需要进入探测工作状态或已知光子即将到达时，提高APD两端电压值，使其处于盖革模式，控制门开启，探测完一定时间后则立即关闭，恢复到低压状态。

图8 无源门脉冲控制的等效电路

可控的“开门”工作时间使探测器的损耗降到最低，而且抑制周期与器件的响应速度无关，可以更精确地截断雪崩脉冲，有效减小后脉冲与暗电流的影响，可最大化发挥出探测元件的性能。

2.4 探测器的测试模块

了解传感器特性最直接的方式就是将可调节的偏置电压加在雪崩二极管的反向两端，测量反向电流，从而分析反向偏压、温度、照度等因素对二极管工作状态的影响。为此除了之前设计的偏置电压源，必须还有一种可调节范围更大、线性度更好且能进行精确电流监控的测试电源，以及一个微小电流放大器，用来测试APD的雪崩特性。

2.4.1 线性可调测试电源

选用芯片ADL5317，它专用于对APD进行性能测试，配合恒温控制，测量击穿电压、暗电流等参数，为单光子探测系统的正常工作做好准备［8］。ADL5317线性可调节输出电压范围达6 V～75 V，可以充分测试APD反向偏压升高过程中暗电流的变化。内置的镜像电流源能按5∶1的比例复制APD通道上的电流，监测范围为5 nA～5 mA，在10 nA～1 mA范围内精度可达0.25%，远高于MAX15059的电流监控精准度，因此该方案用于线性调整偏置电压对APD反向电流的特性研究，记为带精确镜像电流源的测试电源(HVCM)。

2.4.2 APD镜像电流监测

由于雪崩二极管在雪崩之前的反向光电流只有nA级别，而暗电流更是只有在反向击穿后才会开始倍增并逐渐超过光电流，为精确描绘反向电流随偏压的变化曲线，采用跨导线性对数运算放大器AD8305将微电流转换为电压信号，而监测电流则来自于ADL5317的镜像电流输出IPDM［9-10］。配合ADL5317给雪崩二极管供应反向偏置电压，工作于线性放大模式，AD8305可以有效监测10 nA～1 mA的镜像电流，动态范围达到105倍，如图9所示。

图9 镜像电流转换电路

3 探测器性能测试

3.1 电源测试

设计的偏置电源都带有可调节性，通过引入一个电平值即可改变输出电压。电平值可以用工作电源下的测试可调电阻模块，也可直接从单片机DAC输出［11］。4种电源模式的比较如表1所示。

表1 偏置电源模块可供电压范围

3.2 温度测试

将测试区的可调电阻视作热敏电阻的阻抗输入RT，调节RT，用万用表逐次测量电路中的测试点，记录6组数据至表2。其中，USET为温度设定的输入电平，UT为热敏电阻转换后的输出电平，UCTRL为电流源控制电压，UREF为芯片MAX1968提供的参考电平，UVI是芯片提供的输出电流转换成的电压值，ITEC则是万用表测得的实际输出电流。

表2 温度控制测试结果

3.3 灵敏度测试

在300 mW泵浦激光的激发作用下，用于分析气体组分的拉曼信号非常微弱，直接用普通光功率计是无法测得准确数值的，为此利用发光二极管的线性输出特性来估算拉曼信号强度［12］，以及探测器的响应灵敏度。

用直线拟合的方法得到图10中的关系方程，当工作电流为1 mA时，计算得到LED输出光强为2.59×10-10W。此时，用单光子探测器测量得到计数值约为2.81 Mcps，扣除暗计数后可以算出计数一次对应的平均光强约为9.30×10-17W，也就意味着响应灵敏度为1.075×1 010 Count/μW。

图10 发光二极管发光强度与工作电流的关系

4 总结

根据单光子探测器的原理和工作条件，设计了探测器的基础硬件，包括偏置电源、测试模块、恒温控制和信号处理部分。对探测器的电源模块，温度控制模块和灵敏度进行了性能测试。结果表明:探测器具有响应灵敏度高、分析速度快、体积小巧、功耗低等特点，适合在气体拉曼分析系统中使用。

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张超(1992-)，男，汉族，硕士研究生，就读于南京工业大学电气工程与控制科学学院，主要研究方向为检测技术与自动化装置，zcairv@163.com;

王晓荣(1972-)，男，汉族，江苏阜宁人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为分析仪器设计、嵌入式系统设计、机电系统综合控制，wang@njtech.edu.cn。

Design of Gas Raman Single Photon Detector Based on the APD

ZHANG Chao，WANG Xiaorong*，XU Xinyue，CHENG Congcong

(College of Electrical Engineering and Control Science，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，China)

According to the characteristics of Raman scattering light，a silicon avalanche photodiode is used to compose ofmulti-pixel doubling device as a photoelectric converter.To reduce noise during detecting，the detector has modules of reverse bias supply with low ripple voltage，temperature control and fast avalanche suppression module.Moreover，it owns a testmodule which is exclusively for the study of avalanche phenomenon，and the performance is optimized by adjusting circuit parameters.The results indicate that the detector has high detection sensitivity，rapid analysis speed，small size and low power consumption，suitable for using in Raman gas analysis system.

raman scattering;silicon avalanche photodiode;single photon;avalanche

C:7230

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.004

TP212

:A

:1005－9490(2017)01－0016－06

2016-01-15修改日期:2016-02-29