近紅外1550 nm單光子探測(cè)器硬件電路設(shè)計(jì)

高家利,汪 科,盤紅霞

(重慶理工大學(xué)工程訓(xùn)練與經(jīng)管實(shí)驗(yàn)中心,重慶 400054)

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·光電技術(shù)與系統(tǒng)·

近紅外1550 nm單光子探測(cè)器硬件電路設(shè)計(jì)

高家利,汪 科,盤紅霞

(重慶理工大學(xué)工程訓(xùn)練與經(jīng)管實(shí)驗(yàn)中心,重慶 400054)

針對(duì)現(xiàn)有單光子探測(cè)器模塊價(jià)格昂貴和體積大的不足,設(shè)計(jì)了基于InGaAs/InP雪崩光電二極管(APD)的便攜式單光子探測(cè)器,給出了探測(cè)器溫控模塊和偏置電壓源的設(shè)計(jì)電路,門控信號(hào)的產(chǎn)生和雪崩信號(hào)的提取由FPGA完成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在200 MHz門控條件且制冷溫度為-55 ℃時(shí),探測(cè)器的最大光子探測(cè)效率(PDE)約為16%,當(dāng)探測(cè)效率為12%時(shí),暗計(jì)數(shù)率(DCR)約為8.2×10-6/ns。

單光子探測(cè)器；雪崩光電二極管；FPGA；光子探測(cè)效率；暗計(jì)數(shù)率

1 引 言

單光子探測(cè)器是極弱光檢測(cè)系統(tǒng)的核心器件,在量子通信、激光測(cè)距和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1-4]。適用于車載或星載的小型單光子探測(cè)器目前是有關(guān)科研機(jī)構(gòu)重點(diǎn)研究的對(duì)象。能夠響應(yīng)單光子的光電器件主要有光電倍增管和雪崩光電二極管(avalanche photon diode,APD)。光電倍增管體積較大且需要較大的工作電壓,不利于系統(tǒng)小型化[5-6]。APD有Si和InGaAs/InP兩種材料類型,Si材料的APD對(duì)可見(jiàn)光有比較高的探測(cè)效率,而對(duì)近紅外波段光子的探測(cè),InGaAs/InP型APD有著很高的響應(yīng)度。1550 nm波段的近紅外光具備人眼安全性,穿透煙霧的能力強(qiáng),在光纖中傳播損耗低[7-8]。但常用的1550 nm激光器的輸出功率比較低,使用一般的探測(cè)器探測(cè)難度較大,所以研究可響應(yīng)單個(gè)近紅外波段光子的小型化單光子探測(cè)器具有實(shí)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的1550 nm單光子探測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包括APD制冷模塊、APD淬滅-重置驅(qū)動(dòng)電路、直流偏置電壓源和雪崩信號(hào)提取電路。探測(cè)器核心器件采用Excelitas公司的C30645EH型InGaAs/InP APD,該APD可以工作在線性模式和蓋革模式,對(duì)900～1800 nm的紅外波段光信號(hào)均有響應(yīng),峰值響應(yīng)在1550 nm。

圖1 單光子探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of single photon detector

2.1 APD制冷方案設(shè)計(jì)

APD需要較低的溫度來(lái)保證探測(cè)效率和抑制暗電流,暗電流主要是由APD內(nèi)部熱噪聲、隧道貫穿和摻雜缺陷處的勢(shì)阱引起的,暗電流會(huì)導(dǎo)致誤計(jì)數(shù),所以在探測(cè)器內(nèi)部必須對(duì)APD進(jìn)行制冷處理。在相同的響應(yīng)率時(shí),溫度越低,所需偏置電壓越小,暗電流和后脈沖也會(huì)減少。

考慮系統(tǒng)的便攜性及溫度精度可調(diào),采用Peltier半導(dǎo)體制冷片和熱敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)APD的精確制冷。選用MAXIM公司的MAX1969作為半導(dǎo)體制冷片的驅(qū)動(dòng)芯片,該芯片是具備高效率和高集成度的開(kāi)關(guān)型驅(qū)動(dòng)器,適用于Peltier熱電制冷模塊。使用ST公司STM8L單片機(jī)對(duì)熱敏電阻的采樣電壓進(jìn)行數(shù)字化處理,與設(shè)定溫度進(jìn)行比較和PID處理后,將控制信號(hào)輸出到MAX1969。制冷模塊框圖如圖2所示,經(jīng)試驗(yàn)最低制冷溫度達(dá)到-60 ℃,控溫精度±0.1 ℃并能保持恒溫。

圖2 制冷系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of refrigerator system

2.2 直流偏置電壓源

工作在蓋革模式下的APD對(duì)偏置電壓要求非常高,電壓的微小變動(dòng)會(huì)引起倍增因子的劇烈波動(dòng),并最終影響探測(cè)器的計(jì)數(shù)效率。APD對(duì)偏置電壓源的要求是：噪聲低、電流大、電壓紋波穩(wěn)定且足夠小,設(shè)計(jì)的偏置電壓源電路圖3所示。采用LM2577芯片作為電源的可調(diào)升壓轉(zhuǎn)換器,該芯片內(nèi)部噪聲低、頻率固定,具有過(guò)流、低壓、溫度保護(hù)功能。電源穩(wěn)壓器采用凌力爾特公司的高溫線性穩(wěn)壓器件LT3012,低壓差僅為360 mV。設(shè)計(jì)的直流偏置電源1.24～80 V連續(xù)可調(diào),調(diào)節(jié)精度0.01 V,電流達(dá)到500 mA,紋波系數(shù)小于0.05%。

圖3 直流偏壓電路圖Fig.3 Circuit program of bias voltage

2.3 APD淬滅-重置電路

工作在蓋革模式下的APD探測(cè)到入射光子后會(huì)發(fā)生雪崩效應(yīng),內(nèi)部電流不斷持續(xù)增大,必須降低偏置電壓使其迅速淬滅,否則會(huì)擊穿APD。淬滅發(fā)生后,將偏置電壓迅速重置至蓋革模式,以便響應(yīng)下一個(gè)入射光子。淬滅-重置驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以由外部邏輯電路產(chǎn)生,但邏輯電路產(chǎn)生的門控頻率較低。短門控方式可以產(chǎn)生高速門控信號(hào),但需要外部的高頻信號(hào)發(fā)生器、同軸線和微波器件,體積龐大,不易調(diào)試。本文利用FPGA產(chǎn)生的高頻窄門控信號(hào)做為APD的淬滅-重置驅(qū)動(dòng)電路,調(diào)試簡(jiǎn)單,小巧靈活。采用Xilinx公司Virtex6型號(hào)的FPGA產(chǎn)生200 MHz的窄脈沖,通過(guò)電容耦合到APD的陰極,作為APD的驅(qū)動(dòng)電路,如圖4所示。

2.4 雪崩信號(hào)提取電路

雪崩現(xiàn)象發(fā)生后,雪崩電流通過(guò)采樣電阻提取后,電壓信號(hào)仍然十分微弱,必須經(jīng)過(guò)高速放大器進(jìn)行10倍的放大后,才能送入高速比較器比較鑒別出雪崩信號(hào)。由于APD本身的容性效應(yīng),在探測(cè)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幅值遠(yuǎn)大于雪崩信號(hào)的尖峰噪聲,所以需要采用邊沿鎖存的方式來(lái)提取有效信號(hào)送入FPGA進(jìn)行計(jì)數(shù)?；贔PGA的驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)提取電路如圖4所示。

圖4 基于FPGA的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)處理電路Fig.4 driver and signal processing circuit based FPGA

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)本文設(shè)計(jì)的單光子探測(cè)器的探測(cè)性能進(jìn)行了測(cè)試,溫度穩(wěn)定控制在-55 ℃,測(cè)試光源為中心波長(zhǎng)為1550 nm的弱相干激光器,經(jīng)可變衰減器衰減至平均每脈沖0.1個(gè)光子的單光子級(jí)別,激光重復(fù)頻率10 MHz,200 MHz門控信號(hào)和激光器由PPGA同步觸發(fā),門控寬度500 ps。探測(cè)器的光子探測(cè)效率PDE可以通過(guò)公式(1)計(jì)算:

(1)

其中,CT是開(kāi)啟激光器情況下的計(jì)數(shù)率;CD是關(guān)閉激光器情況下的計(jì)數(shù)率;FL是激光的頻率;0.1是每個(gè)激光脈沖包含的光子數(shù)。

暗計(jì)數(shù)率DCR用公式(2)計(jì)算：

(2)

其中,TH是死區(qū)時(shí)間;TG是有效地半高寬,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可以測(cè)得有效半高寬為400 ps。調(diào)節(jié)偏置電壓,分別計(jì)算出PDE和DCR,得到偏置電壓與PDE和DCR的關(guān)系如圖5所示。

圖5 PDE、DCR與偏置電壓的關(guān)系Fig.5 PDE and DCR dependence of bias voltage

從圖中可以看出,探測(cè)器偏置電壓達(dá)到41.4 V時(shí),探測(cè)效率趨近飽和達(dá)到16%,偏置電壓和探測(cè)效率成近似線性關(guān)系,而與暗計(jì)數(shù)率DCR成近似指數(shù)關(guān)系,隨著偏置電壓的提高,DCR的增加幅度非常大。而PDE在12%時(shí),DCR只有8.2×10-6/ns。實(shí)際使用過(guò)程中,需要根據(jù)具體情況,選擇合適的偏置電壓,從而獲取理想的探測(cè)效率和暗計(jì)數(shù)率。

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了基于InGaAs/InP APD的1550 nm的單光子探測(cè)器,給出了探測(cè)器各個(gè)模塊的具體設(shè)計(jì)方案,經(jīng)試驗(yàn)可知,設(shè)計(jì)的探測(cè)器在-55 ℃時(shí),1550 nm近紅外波段的單光子探測(cè)效率最大可達(dá)到16%,在探測(cè)效率為12%,暗計(jì)數(shù)率只有8.2×10-6/ns。這種小型化易調(diào)節(jié)的單光子探測(cè)器可以應(yīng)用在光子計(jì)數(shù)激光測(cè)距和量子通信等領(lǐng)域。

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Hardware circuit design of near-infrared single-photon detector at 1550 nm

GAO Jia-li,WANG Ke,PAN Hong-xia

(The Engineering Training and Economical Management Experiment Center,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

As the existing single photon detector is usually expensive and bulky,a hand-held single photon detector based on InGaAs/InP avalanche photo diode(APD)is designed.The circuit program of temperature control and bias voltage is given,and the gating signals are generated and avalanche signals are extracted by FPGA.The experimental results show that:dark count rate(DCR)of the single photon detector is only 8.2×10-6/ns when photon detection efficiency is 12%,and the maximum photon detection efficiency of 16% is obtained at temperature of -55 ℃ and gating signals of 200 MHz.

single photon detector；avalanche photon diode；FPGA；photon detection efficiency；dark count rate

1001-5078(2015)06-0674-04

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(No.0103121276)資助。

高家利(1981-),男，工程師，主要從事近紅外波段的單光子探測(cè)技術(shù)研究。E-mail：80697394@qq.com

2014-10-20;

2014-10-31

O439；TP11

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.06.015