彭孝東，翟頌彬，宋淑然，周金運(yùn)

    1 引 言

    單光子探測(cè)是一種檢測(cè)極微弱光的方法，在近紅外波段，雪崩光電二極管(apd)是探測(cè)極微弱光的主要器件之一。apd是一種能實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換且具有內(nèi)部增益的高靈敏度光電探測(cè)器，其工作電壓不高，噪聲相對(duì)較小，非常適合極微弱光信號(hào)(如單個(gè)光子信號(hào))的探測(cè)。

    由于單光子探測(cè)是在高技術(shù)領(lǐng)域的重要地位，他已經(jīng)成為各發(fā)達(dá)國(guó)家光電子學(xué)重點(diǎn)研究的課題之一。在量子密鑰分發(fā)、天文測(cè)光、分子生物學(xué)、超高分辨率光譜學(xué)、非線形光學(xué)、光時(shí)域反射等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，都涉及到極微弱光信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)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(cè)出來(lái)是實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)的關(guān)鍵。apd是實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)的核心器件。在單光子探測(cè)器設(shè)計(jì)中，為了開(kāi)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(dá)到較高的探測(cè)效率。然而在蓋格模式時(shí)，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(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程，通常用平均雪崩增益m來(lái)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(yàn)公式來(lái)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(guò)小，不足以捕捉到單個(gè)光子信號(hào)。二是偏置電壓稍高于擊穿電壓，理論上雪崩增益為無(wú)窮大，一個(gè)注入耗盡層載流子就能觸發(fā)apd雪崩，產(chǎn)生ma量級(jí)的電流，使單光子探測(cè)成為可能。由此可見(jiàn)，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(shè)計(jì)顯得尤為重要。

    當(dāng)apd的反向偏置電壓高于雪崩擊穿電壓時(shí)，偏壓的任何微小抖動(dòng)都能改變apds結(jié)區(qū)場(chǎng)強(qiáng)的大小，不但能影響到apd的雪崩增益m還會(huì)為探測(cè)器帶來(lái)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(cè)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(dá)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(shí)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(dòng)帶來(lái)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(huì)帶來(lái)工頻干擾，單光子探測(cè)器核心器件apd若沒(méi)做好足夠的電磁屏蔽，也會(huì)為探測(cè)帶來(lái)額外的誤差。在較高直流電壓輸出時(shí)，要作到高穩(wěn)定度和低紋波輸出，在電路設(shè)計(jì)上較復(fù)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(gè)專(zhuān)門(mén)為apd，lcd，低噪聲變?nèi)荻䴓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(kāi)關(guān)器件頻率固定為500 khz，且具有40 v的耐壓極限。工作時(shí)使用一個(gè)工作于非連續(xù)電流模式的電感l(wèi)，故意減慢開(kāi)關(guān)速度，用來(lái)降低高頻電壓毛刺。開(kāi)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(guò)電流環(huán)、印刷電路板線條和元件管腳問(wèn)的電容向周?chē)娐份椛浠騻鲗?dǎo)進(jìn)來(lái)的噪聲，近一步減小可能帶來(lái)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(shí)倍壓電路的工作過(guò)程如下：芯片內(nèi)部dmos導(dǎo)通，電容c3將電荷轉(zhuǎn)移給c4，同時(shí)電感l(wèi)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(diǎn)：

    (1) max5026