基于MAX5026单光子探测器直流偏压源设计

由于单光子探测是在高技术领域的重要地位，他已经成为各发达国家光电子学重点研究的课题之一。在量子密钥分发、天文测光、分子生物学、超高分辨率光谱学、非线形光学、光时域反射等现代科学技术领域中，都涉及到极微弱光信号的检测问题。在量子密钥分发系统中，量子信息的载体是单光子，如何将携带信息的单光子探测出来是实现量子密钥分发的关键。是实现单光子探测的核心器件。在单光子探测器设计中，为了开发的极限灵敏度，必须置于反向偏压稍高于雪崩击穿电压之上，即所谓的盖格 模式下工作，使的雪崩增益取最佳值，才能达到较高的探测效率。然而在盖格模式时，的雪崩增益不仅与环境温度还与其直流偏压的大小密切相关。1引言单光子探测是一种检测极微弱光的方法，在近红外波段，雪崩光电二极管是探测极微弱光的主要器件之一。 是一种能实现光电转换且具有内部增益的高灵敏度光电探测器，其工作电压不高，噪声相对较小，非常适合极微弱光信号（如单个光子信号高的探测。盖格模式下 雪崩特性雪崩光电二极管的雪崩增益的大小与电子或空穴的有关，其雪崩过程是一个复杂的随机过程，通常用平均雪崩增益来表示。与击穿电压、偏置电压的关系可用以下经验公式来描述：得其中是与温度有关的特性指数在〜之间变化，取决于光电材料高从公式可以看出， 可以工作在两种方式下：一是偏置电压小于击穿电压，然而在这种情况下雪崩增益过小，不足以捕捉到单个光子信号。二是偏置电压稍高于击穿电压，理论上雪崩增益为无穷大，一个注入耗尽层载流子就能触发雪崩，产生量级的电流，使单光子探测成为可能。由此可见， 的雪崩增益仅与其反向偏压大小密切相关。因此，为了获得最佳的雪崩增益 ，的偏压控制电路设计显得尤为重要。当的反向偏置电压高于雪崩击穿电压时，偏压的任何微小抖动都能改变结区场强的大小，不但能影响到的雪崩增益还会为探测器带来了非光子脉冲噪声，如散粒噪声、附加噪声等。因此，用作单光子探测器的AP偏压源必须满足下列条件：第一，电压要足够高，能够达到的雪崩击穿电压以上；第二，能够提供足够的电流，满足雪崩时电流迅速增大的要求；第三，要有足够小的纹波，尽量减小由于电源电压抖动带来的噪声。这就意味着的反向偏置电压的电压稳定性足够的高。连续可调 直流偏压源由线性元件构成的线性电源电路中，电压调整管要工作在放大状态，发热量大，效率低，需要加体积庞大的散热片，此外，同样也是大体积的工频变压器也会带来工频干扰，单光子探测器核心器件若没做好足够的电磁屏蔽，也会为探测带来额外的误差。在较高直流电压输出时，要作到高稳定度和低纹波输出，在电路设计上较复杂。是公司生产的固定频率、脉冲宽度可调的低噪声升压转换器，是一个专门为。C低噪声变容二极管等提供直流偏置电源的表帖元件。其内部的横向开关器件频率固定为，且具有的耐压极限。工作时使用一个工作于非连续电流模式的电感，故意减慢开关速度，用来降低高频电压毛刺。开关速度的降低还能减小高频和速率，最大限度地减小了通过电流环、印刷电路板线条和元件管脚问的电容向周围电路辐射或传导进来的噪声，近一步减小可能带来的噪声。校M修人.电V图所示偏压源电路是由 升压型 转换器 和铁氧体磁心电感线圈组成，电容3和二极管3构成的倍压电路，使输出电压可到。在稳态时倍压电路的工作过程如下：芯片内部导通，电容将电荷转移给，同时电感被充电；随着内部关断，在电感中建立起的电流使和正向导通，加到电容上的总电压为和之和。使用作为 直流偏压源有以下特点：内部较慢 上升和下降时间降低时间降低了 和噪声耦合；非连续电流模式的电感使二极管自然换流，本质上消除了二极管的反相恢复带来的高频 噪声；固定 工作频率产生的可预知噪声频谱，更容易滤除，如加滤波网络；：高）集成度带来低成本和小尺寸，该表帖元件面积仅为由于使用的单光子核心器件 ，在室温时其雪崩击穿电压〜不等，雪崩击穿电流为量级，因此该偏置电压源电路能满足其要求。根据公司给出 的资料，电路的输出电压可依据下面的关系设定：匕“:「—】X（显黑R_+RX去上+K了凡）—V「M旦由七=L25X（管+告+《一等乂匕底1 rCt .其中， 是控制输入电压基准，其大小从〜可调。实验发现，当电路的控制输入电压为 即输出电压为 输出时，电流负载时具有 的纹波输出，若在输出端并联一个M或更大一点的低等效串联电阻 和低等效串联电感 电容时，能将噪声水平降低到水平，如下图所示，其纹波峰峰值不到 V由于采用了固定开关频率，如采用滤波器或滤波器可以将输出纹波峰值降低到水平，足以满足 雪崩击穿时电压的需要。图21niA负载时偏压源殁波电压输出数控输出 直流偏压源有时使用的 是带温度补偿的组件，组件里带有热敏电阻之类的感温元件，使用图3所示直流源电路就非常合适，图3所示电路是基于单片机控制的、具有输出数字可调的 偏置电压源部分电路。在控制部分单片机读取组件中热敏电阻的值，从而修正 的偏置电压，能实现对 的温度补偿，此外也可以进一步修正电源电压波动带来增益的变化。在此电路中， 是 基准电压源。通过控制位转换器能将输出电压从 调节到3步长为 4如当的串行输入数据为 时，即控制输入电压为 时，输出电压为3当串行输入数据为 0寸，输出电压为7此时控制输入电压为 0如想得到步长更小的电压输出，可选用多位数模转换器来替代 5如低功耗满幅输出位串行数模转换器 可将步长降低到 左右。由3世捏可丽APD直流儡加淬5结语基于低噪声、固定频率 生压转换器 的 直流偏压源具有纹波小、成本低、体积小、