單光子激光測(cè)距淬滅電路設(shè)計(jì)優(yōu)化

陳雨 羊毅 郝培育 李尊

摘要：隨著對(duì)激光測(cè)距測(cè)程要求的提高，以量子探測(cè)和概率統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)的單光子激光測(cè)距技術(shù)逐漸成為發(fā)展的新方向，單光子測(cè)距靈敏度高、測(cè)程遠(yuǎn)，探測(cè)器常用蓋革模式下的雪崩光電二極管。蓋革模式下，探測(cè)器一旦響應(yīng)，電流成倍增大，需要加上淬滅電路。目前主動(dòng)淬滅方式較為常用，但是噪聲較大，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜。優(yōu)化設(shè)計(jì)了GHz的門控淬滅方式，將高頻正弦信號(hào)加載在探測(cè)器兩端，在正弦信號(hào)正半周期探測(cè)器處于蓋革模式，負(fù)半周期淬滅探測(cè)器，同時(shí)門控信號(hào)的存在降低了電路的噪聲。把主動(dòng)淬滅電路和門控淬滅電路進(jìn)行了研究與仿真，結(jié)果表明，正弦門控電路死時(shí)間短，噪聲低，探測(cè)效率高，性能較優(yōu)。設(shè)計(jì)了正弦門控電路。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)喂庾?主動(dòng)淬滅電路;正弦門控淬滅電路，測(cè)距;激光

中圖分類號(hào)：TN958.98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

單光子測(cè)距測(cè)程遠(yuǎn)，能對(duì)微弱光信號(hào)產(chǎn)生很好的響應(yīng)。蓋革模式雪崩光電二極管（Geiger Mode of AvalanchePhotodiodes，GM-APD）的工作電壓高于雪崩擊穿電壓，對(duì)入射光子高量子效率轉(zhuǎn)換和極高雪崩內(nèi)增益放大，響應(yīng)信號(hào)（或噪聲）后，為了保證正常工作，必須采用淬滅電路將APD的工作偏壓降低到雪崩擊穿電壓以下，來清除所有的自由載流子，再將APD的工作偏壓提高到雪崩擊穿電壓以上，為探測(cè)下一個(gè)光子做好準(zhǔn)備。

20世紀(jì)60年代，Haitz等在GM-APD雪崩擊穿工作原理的研究過程中提出了被動(dòng)淬滅電路[1，2]，并提出了一個(gè)GM-APD電學(xué)模型。1975年，意大利米蘭理工大學(xué)Cova采用Haitz提出的結(jié)構(gòu)，針對(duì)GM-APD被動(dòng)式淬滅死時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，提出了主動(dòng)淬滅電路[3]。1981年，Cova證明了GM-APD皮秒級(jí)（ps）的分辨率及其應(yīng)用在光學(xué)時(shí)間技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的潛力，提出門控式結(jié)合主動(dòng)式的淬滅電路，縮短了 GM-APD死時(shí)間[4]。

2006年，日本大學(xué)的Namekata等首次提出了正弦門控濾波探測(cè)技術(shù)，該方案將正弦波門控信號(hào)的頻率提高到了800MHz[5]，2009年他們又實(shí)現(xiàn)了正弦波門控信號(hào)的頻率1.5GHz的單光子探測(cè)器[6]?，F(xiàn)有的門控技術(shù)主要應(yīng)用于量子通信領(lǐng)域[7，8]，GM-APD陣列傳感檢測(cè)已進(jìn)入實(shí)用水平[9]。

目前，單光子激光測(cè)距常用主動(dòng)淬滅電路，但是對(duì)于非合作目標(biāo)主動(dòng)淬滅電路死時(shí)間長(zhǎng)且噪聲較大，影響了探測(cè)效率的提高。本文首先分析了APD器件的等效電路模型，然后分析了主動(dòng)淬滅模式電路、門控淬滅模式電路的工作原理并仿真，進(jìn)行GHz門控淬滅模式電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，門模式減小了噪聲，短死時(shí)間提高了對(duì)非合作目標(biāo)的測(cè)距能力。

1 基本概念

1.1 雪崩光電二極管（APD）

APD[10]是一種基于光電導(dǎo)效應(yīng)和雪崩倍增效應(yīng)的新型光電探測(cè)器件，與其他傳統(tǒng)的光電傳感器相比，具有較高的增益、較快的響應(yīng)速度、較高的靈敏度、較小的體積、較輕的重量（質(zhì)量）、方便使用等優(yōu)點(diǎn)。APD探測(cè)器的工作模式與所加反向偏置電壓的關(guān)系如圖1所示。

如果APD所加反向偏壓繼續(xù)增大，當(dāng)所加偏壓超過APD的臨界雪崩電壓V_br時(shí)，反向偏壓會(huì)在PN結(jié)耗盡區(qū)（高場(chǎng)區(qū)）內(nèi)形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，使得載流子的數(shù)量雪崩式倍增，稱為“雪崩效應(yīng)”，最終達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，這種工作模式就是蓋革模式。APD的增益系數(shù)M與反向偏置電壓V的關(guān)系為：式中：V_B為雪崩電壓;n與PN結(jié)低摻雜區(qū)是N型或P型及入射信號(hào)光波長(zhǎng)有關(guān)。當(dāng)V接近于V_B時(shí)，M將趨近于無窮大，有利于提取單光子信號(hào)。

線性模式下，APD的增益不足以將單光子信號(hào)提取出來，因此，需要工作在蓋革模式。蓋革模式下，即弱光信號(hào)下，GM-APD輸出離散的0.1信號(hào)，即數(shù)字信號(hào)。線性模式，即強(qiáng)光信號(hào)下，和蓋革模式下的輸出信號(hào)示意圖如圖2所示。

1.2 探測(cè)效率的優(yōu)化建模

光子探測(cè)效率（Photon Detection Efficiency，PDE）為入射光子成功觸發(fā)一次雪崩并被探測(cè)到的平均概率。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)光學(xué)理論，在光子計(jì)數(shù)激光測(cè)距中，單光子探測(cè)器產(chǎn)生的光電子服從負(fù)二項(xiàng)分布。當(dāng)入射的平均光電子數(shù)很小時(shí)，負(fù)二項(xiàng)分布進(jìn)一步退化為泊松分布[11]。

在時(shí)間間隔探測(cè)到K次光電事件（K個(gè)光子）的概率P為：

根據(jù)復(fù)雜環(huán)境下單光子測(cè)距時(shí)刻變化的大氣傳輸特性、目標(biāo)特性等特點(diǎn)，背景噪聲對(duì)探測(cè)影響很大。把背景噪聲對(duì)單光子探測(cè)的影響融入單光子探測(cè)模型中，建立GM-API）的探測(cè)模型，在一定的工作溫度和過偏壓下，噪聲包括背景光噪聲f_n和探測(cè)器暗計(jì)數(shù)f_d、淬滅電路引入門效率u_p和死時(shí)間t_d。n_n表示某一次探測(cè)時(shí)入射的光子數(shù)，探測(cè)器在探測(cè)到第一個(gè)光子信號(hào)后，需要死時(shí)間t_d來恢復(fù)工作狀態(tài)，圖3是探測(cè)模型圖。

蓋革模式雪崩光電二極管的死時(shí)間受探測(cè)器響應(yīng)和淬滅電路限制。探測(cè)器在探測(cè)到第一個(gè)光子信號(hào)后，需要一段時(shí)間來恢復(fù)工作狀態(tài)，第一次探測(cè)到的光子信號(hào)會(huì)對(duì)后續(xù)信號(hào)的探測(cè)產(chǎn)生抑制作用，光子信號(hào)的探測(cè)概率會(huì)出現(xiàn)一定程度的衰減?？紤]門控u_p單位時(shí)間只通過門內(nèi)的信號(hào)，探測(cè)概率加上死時(shí)間、探測(cè)器噪聲、門效率的衰減系數(shù)修正為[12]：

1.3 淬滅電路

淬滅電路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，對(duì)于單光子探測(cè)器的探測(cè)效率和精準(zhǔn)度起著關(guān)鍵作用[13]。完成一次淬滅需要三個(gè)步驟：（1）感應(yīng)雪崩信號(hào)的同時(shí)輸出TTL脈沖電平信號(hào);（2）脈沖信號(hào)控制APD兩端的偏置電壓，使其低于雪崩擊穿電壓，淬滅雪崩;（3）重新恢復(fù)偏置電壓，為下一個(gè)光子的到來做好準(zhǔn)備。常見的淬滅方式有三種：被動(dòng)淬滅、主動(dòng)淬滅和門控淬滅。

1.3.1 APD等效電路模型

根據(jù)Core提出的模型，對(duì)APD建立等效電路模型，如圖4所示。

APD等效電路模型為一個(gè)光控開關(guān)與電壓源的串聯(lián)，光控開關(guān)模擬有無光子入射，有光子入射開關(guān)閉合，電壓源為APD雪崩電壓值，R_d為APD等效內(nèi)阻，Ca為APD的結(jié)電容，C_p為分布電容，它的值一般為皮法量級(jí)。

1.3.2 主動(dòng)淬滅

主動(dòng)淬滅的工作原理如圖5所示。

探測(cè)器感應(yīng)到光子之前，K₁、K₂都處于關(guān)斷狀態(tài)，探測(cè)器兩端偏壓處于雪崩狀態(tài)。當(dāng)探測(cè)器感應(yīng)到光子之后，產(chǎn)生光電流，經(jīng)過I-V轉(zhuǎn)換和放大，整形之后，控制K₁閉合，則加載在探測(cè)器兩端的偏壓降低，實(shí)現(xiàn)了雪崩的淬滅，K₁重新打開;經(jīng)過一段時(shí)間的延遲之后，控制K₂閉合，探測(cè)器兩端電壓重新恢復(fù)至雪崩偏壓，為下一個(gè)光子的到來做好準(zhǔn)備。主動(dòng)淬滅利用了反饋的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)探測(cè)器檢測(cè)到雪崩信號(hào)后立刻反饋到APD的驅(qū)動(dòng)電壓上。

1.3.3 門控淬滅

很多時(shí)間相關(guān)性測(cè)量及暗計(jì)數(shù)率較高的GM-APD需要工作在“門控模式”下，即工作在門控脈沖的控制下，探測(cè)器僅在門控脈沖到來時(shí)保持活躍。這就要求探測(cè)器的工作偏壓在門控脈沖有效期間處于雪崩電壓閾值以上而門控關(guān)閉后工作偏壓迅速降低到閾值以下[14，15]。當(dāng)光子入射門控關(guān)閉時(shí)，電路沒有有效輸出。采用門控模式可以有效降低暗計(jì)數(shù)，而且可以降低探測(cè)器功耗、延長(zhǎng)探測(cè)器壽命，有效抑制后脈沖。

由于APD結(jié)電容的存在，門脈沖在通過APD時(shí)，會(huì)在門脈沖的上升沿產(chǎn)生一個(gè)正向的充電脈沖，而在門脈沖的下降沿產(chǎn)生一個(gè)負(fù)向的放電脈沖，并且這兩個(gè)充放電脈沖的幅值很大，稱為尖峰噪聲，這就給雪崩信號(hào)的提取帶來了很大的困難。常用以下方法：

（1）差分電路法

將電壓平分為兩路分別加在APD和結(jié)電容的兩端，產(chǎn)生相同的尖峰噪聲，將輸出信號(hào)做差分運(yùn)算，消除噪聲。

（2）同軸電纜反射法

用兩根完全相同的電纜將信號(hào)延時(shí)后再差分。

（3）雙APD平衡法

采用兩個(gè)相同型號(hào)的APD搭建探測(cè)電路，在輸出做差分運(yùn)算。改進(jìn)方法將其中一個(gè)APD改成可調(diào)電容，稱為可調(diào)電容平衡法。

（4）負(fù)脈沖檢測(cè)法

通過檢測(cè)APD輸出信號(hào)負(fù)脈沖的有無知道雪崩是否發(fā)生。

（5）正弦波脈沖法

用正弦波作為門電壓，將輸出信號(hào)通過帶阻濾波器來抑制尖峰噪聲，如圖6所示。

使用正弦門控淬滅電路，只有門內(nèi)的信號(hào)可以有效探測(cè)，存在門效率的問題，計(jì)算正弦門的門效率，計(jì)算原理如圖7所示，V_bias為正弦波所處的基準(zhǔn)電壓，V_pp為正弦信號(hào)峰峰值。t₁和t₂為正弦信號(hào)到達(dá)雪崩電壓V_b的時(shí)間，t₂-t₁即為門有效的時(shí)間。

門效率表達(dá)式為：

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

將主動(dòng)淬滅電路和正弦門控淬滅電路進(jìn)行對(duì)比。

2.1 主動(dòng)淬滅

用Capture的Pspice仿真，仿真電路圖及仿真波形圖如圖8和圖9所示。

電路原理圖將電壓加載在APD等效模型上，首先通過放大器將信號(hào)放大，再通過比較器對(duì)信號(hào)進(jìn)行提取，一路信號(hào)通過三極管反饋至GM-APD兩端，降低雪崩電壓，淬滅信號(hào);一路信號(hào)通過三極管反饋至GM-APD兩端，提高雪崩電壓，使電路恢復(fù)。

可以看出，GM-APD兩端電壓隨著入射光脈沖的周期在線性與蓋革模式下切換，輸出信號(hào)是清晰的脈沖，沒有疊加的噪聲信號(hào)，信號(hào)好提取。從電壓的恢復(fù)信號(hào)可以看出，淬滅時(shí)間大約在20ns左右，表現(xiàn)出很好的性能。

仿真恢復(fù)時(shí)間在20ns左右，門控效率為1，代入式（3）中，可以得到較高的探測(cè)效率，證明這個(gè)電路還是表現(xiàn)了很好的性能。

2.2 門控淬滅

Capture的Pspice仿真電路原理圖及仿真波形圖如圖10和圖11所示。輸入信號(hào)參數(shù)門信號(hào)為正弦信號(hào)，幅度為1.2V，頻率為0.01GHz。

可以看出，GM-APD兩端電壓變化隨著正弦門控的變化而變化，輸出信號(hào)疊加了正弦波形，需要在后續(xù)通過濾波器進(jìn)行濾除。

幅度不變，設(shè)置正弦信號(hào)頻率為1GHz，對(duì)于輸入的帶有高頻正弦信號(hào)的波形進(jìn)行濾波，得到濾波后的雪崩信號(hào)，如所圖12所示。

建立的正弦門控淬滅仿真模型可以從高頻正弦波中提取頻率較低雪崩信號(hào)，死時(shí)間較短，可以滿足達(dá)到準(zhǔn)連續(xù)探測(cè)的需要，死時(shí)間15ns。表1是門控淬滅與主動(dòng)淬滅的對(duì)比。

3 測(cè)試

在實(shí)際電路板上測(cè)試，在暗室環(huán)境下，APD接收到光子，經(jīng)過正弦門控淬滅后，濾波整形輸出，測(cè)得電路死時(shí)間為17ns。

4 結(jié)論

探測(cè)器淬滅電路的設(shè)計(jì)對(duì)于提高單光子電路探測(cè)能力非常重要。通過對(duì)主動(dòng)淬滅死時(shí)間長(zhǎng)、噪聲大、不利于后續(xù)信號(hào)的提取問題的分析，對(duì)比了目前淬滅電路的發(fā)展現(xiàn)狀，最終選取了高頻正弦門控淬滅電路，減小了死時(shí)間和噪聲的問題。

但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)于單光子探測(cè)技術(shù)的研究還不夠深刻，距離國(guó)外先進(jìn)技術(shù)有一定的差距，需要對(duì)門控淬滅方式進(jìn)一步研究，優(yōu)良的門控淬滅電路可以進(jìn)一步減小死時(shí)間，提高探測(cè)效率，同時(shí)對(duì)于探測(cè)器件結(jié)構(gòu)、外圍控制電路、探測(cè)的優(yōu)化還有廣泛的探索空間。

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