基于MAX5026的單光子探測器直流偏壓源設計

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(shí)現光電轉換且具有內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(gè)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(xué)重點(diǎn)研究的課題之一。在量子密鑰分發(fā)、天文測光、分子生物學(xué)、超高分辨率光譜學(xué)、非線(xiàn)形光學(xué)、光時(shí)域反射等現代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，都涉及到極微弱光信號的檢測問(wèn)題。在量子密鑰分發(fā)系統中，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(lái)是實(shí)現量子密鑰分發(fā)的關(guān)鍵。APD是實(shí)現單光子探測的核心器件。在單光子探測器設計中，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，才能達到較高的探測效率。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)復雜的隨機過(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)驗公式來(lái)描述：

　　
其中n是與溫度有關(guān)的特性指數(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。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量級的電流，使單光子探測成為可能。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(shí)，偏壓的任何微小抖動(dòng)都能改變APDs結區場(chǎng)強的大小，不但能影響到APD的雪崩增益M還會(huì )為探測器帶來(lái)了非光子脈沖噪聲，如散粒噪聲、附加噪聲等。因此，用作單光子探測器的APD偏壓源必須滿(mǎn)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(mǎn)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(zhù)APD的反向偏置電壓的電壓穩定性足夠的高。

　　3 連續可調APD直流偏壓源

　　由線(xiàn)性元件構成的線(xiàn)性電源電路中，電壓調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，單光子探測器核心器件APD若沒(méi)做好足夠的電磁屏蔽，也會(huì )為探測帶來(lái)額外的誤差。在較高直流電壓輸出時(shí)，要作到高穩定度和低紋波輸出，在電路設計上較復雜。

　　MAX5026是MAXIM公司生產(chǎn)的固定頻率、脈沖寬度可調的低噪聲升壓轉換器，是一個(gè)專(zhuān)門(mén)為APD，LCD，低噪聲變容二極管等提供直流偏置電源的表帖元件。其內部的橫向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)工作于非連續電流模式的電感L，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(xiàn)條和元件管腳問(wèn)的電容向周?chē)娐份椛浠騻鲗нM(jìn)來(lái)的噪聲，近一步減小可能帶來(lái)的噪聲。