近紅外SPAD標(biāo)定的偏壓偏流控制系統(tǒng)研究

高雪峰,洪占勇,蔣連軍

(1.安徽省航空結(jié)構(gòu)件成形制造與裝備實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)與裝備技術(shù)研究院,安徽 合肥 230009；3.科大國(guó)盾量子技術(shù)股份有限公司,安徽 合肥 230088)

1 引 言

近年來(lái),通信市場(chǎng)表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢(shì),光通信產(chǎn)業(yè)迅速增長(zhǎng),尤其是以量子通信為代表的新興產(chǎn)業(yè),持續(xù)對(duì)單光子探測(cè)器件提出更高的技術(shù)要求[1]。單光子雪崩二極管(SPAD)是一種新型高靈敏度光電傳感器件,具有很強(qiáng)的內(nèi)部增益可用于識(shí)別微弱的光信號(hào),已成為量子通信領(lǐng)域的關(guān)鍵共性器件[2]。1550 nm波段的近紅外光具備人眼安全性,在光纖中傳播損耗低,被大量廣泛應(yīng)用到單光子通信中[3]。SPAD的性能由探測(cè)效率、暗記數(shù)率、后脈沖等參數(shù)綜合決定,這些參數(shù)往往相互影響、相互制約,因此SPAD的測(cè)量是一個(gè)系統(tǒng)性工作,只有全面測(cè)量標(biāo)定關(guān)聯(lián)參數(shù),才能反映其真實(shí)性能[4-6]。SPAD用于單光子探測(cè)時(shí)需要提供Pin_N到Pin_P的反向偏置電壓使其工作在蓋革模式[7]。通過(guò)對(duì)SPAD特性的研究,可知偏壓控制值的變化會(huì)對(duì)SPAD性能參數(shù)值的測(cè)量產(chǎn)生重要影響。為保證測(cè)量標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性,偏壓控制精度目標(biāo)值為±30 mV,同時(shí)要求能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)給到SPAD管偏壓信號(hào)的電流,反映其雪崩電流的大小。

針對(duì)SPAD標(biāo)定過(guò)程中要求的高精度偏壓控制及偏流檢測(cè)功能,研究了一種偏壓控制及偏流檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)達(dá)到了較高的偏壓控制精度及檢測(cè)精度,且具有較強(qiáng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了高精度偏壓控制系統(tǒng)的可行性及微分非線性誤差,檢驗(yàn)了偏流檢測(cè)功能,滿足近紅外1550 nm SPAD標(biāo)定系統(tǒng)的要求。

2 系統(tǒng)原理

本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的偏壓控制及偏流檢測(cè)系統(tǒng),用于近紅外1550 nm SPAD標(biāo)定系統(tǒng)。設(shè)計(jì)原理如圖1所示。系統(tǒng)分為偏壓控制與偏流檢測(cè)兩部分電路實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)通過(guò)FPGA將偏壓控制信號(hào)HV下發(fā),然后控制16位DAC芯片AD5665輸出相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)Hv_ctrl,實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換,經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器芯片OPA454A進(jìn)行電壓的反向放大后配置到待測(cè)SPAD相應(yīng)管腳,從而實(shí)現(xiàn)偏壓控制的功能。

偏壓信號(hào)線上串接一個(gè)Sense電阻,通過(guò)電流檢測(cè)器件IN282AID檢測(cè)其輸出電壓,使用恒流源REF200AU驅(qū)動(dòng)電阻R進(jìn)行電壓補(bǔ)償,達(dá)到將偏流檢測(cè)轉(zhuǎn)換成電壓檢測(cè)的目的,輸出電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器芯片OPA2350進(jìn)行電壓放大發(fā)送給模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7682。FPGA讀取AD7682采集的電壓值,再通過(guò)公式推導(dǎo)換算成偏流值。IN282AID工作電壓由AD5665產(chǎn)生參考電壓進(jìn)行電壓跟隨及高壓運(yùn)放控制供給。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖Fig.1 System design schematic

3 軟硬件實(shí)現(xiàn)方案

3.1 偏壓控制電路

單光子雪崩光電二極管是具有強(qiáng)內(nèi)部增益的高量子效率器件,實(shí)際使用中的光電二極管通常采用PIN結(jié)構(gòu),用于單光子探測(cè)時(shí)工作在二極管的反向?qū)▍^(qū),即電壓為負(fù),P端接低電壓。當(dāng)反向電壓大于二極管雪崩電壓時(shí),內(nèi)部載流子激增進(jìn)入雪崩倍增狀態(tài)。繼續(xù)增加反向偏壓,當(dāng)電壓超過(guò)擊穿電壓時(shí),二極管進(jìn)入擊穿狀態(tài),也就是我們通常提到的蓋革模式。這一工作模式下,僅有一個(gè)光子入射也可以迅速激發(fā)載流子產(chǎn)生光電流。外加的反向偏壓越大二極管內(nèi)部電場(chǎng)就會(huì)越強(qiáng),激發(fā)產(chǎn)生的內(nèi)部電流也就越大。所以SPAD在標(biāo)定過(guò)程中需要高精度的偏置電壓,微小的偏置電壓變化可能導(dǎo)致暗計(jì)數(shù)率、后脈沖率、探測(cè)效率等參數(shù)的較大波動(dòng)[8]。

為保證設(shè)計(jì)電路的控制精度采用高精度DAC和高穩(wěn)定性電源。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用AD公司設(shè)計(jì)的16 bit高精度DAC芯片AD5665,內(nèi)部集成了進(jìn)程控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字增益和偏移調(diào)整、可編程電壓和電流源、可編程衰減器等功能。芯片采用I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,具有極低的電流消耗,抗高噪聲干擾。在Verf=2.5 V時(shí),控制精度小于0.5 mV,供電電源紋波小于10 mV。OPA454A構(gòu)成反向放大器,其電壓增益變換關(guān)系式為:

G=-R9/(R7+R8)

(1)

其中,R9=200 kΩ,R7=100 Ω,R8=10 kΩ,可得電壓增益G為-19.8。AD5665輸出模擬電壓信號(hào)Hv_ctrl范圍:0～5 V。OPA454A芯片采用5 V+/-75 V供電,故輸出偏壓范圍0～75 V。BAV99LT1是一種開(kāi)關(guān)二極管,起保護(hù)和抑制傳導(dǎo)抗擾的作用。具體設(shè)計(jì)如圖2所示。采用低功耗器件AD5665與運(yùn)放芯片OPA454A極大的簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì),并可通過(guò)上位軟件下發(fā)參數(shù)精準(zhǔn)的進(jìn)行SPAD偏壓的配置。

圖2 偏壓控制電路設(shè)計(jì)原理圖Fig.2 Schematic diagram of bias voltage control circuit design

3.2 偏流檢測(cè)電路

偏置電流作為SPAD另一重要參數(shù),反映了SPAD雪崩電流的大小,SPAD標(biāo)定設(shè)備通過(guò)檢測(cè)偏流值來(lái)確認(rèn)待測(cè)SPAD管的暗電流以及進(jìn)行強(qiáng)光預(yù)警。偏流檢測(cè)電路在HV偏壓信號(hào)線上串接一個(gè)Sense電阻,電阻兩端分別接到電流檢測(cè)器件INA282AID的IN+和IN-引腳,INA282AID(0.3 μV/℃ 0.005 %/℃ 50 V/V)是電壓輸出電流并聯(lián)監(jiān)控器,此監(jiān)控器能夠感測(cè)-14～80 V的共模電壓壓降,與電源電壓無(wú)關(guān)。采用零漂移架構(gòu)可以使得電流感測(cè)在整個(gè)分流器上的最大壓降降低至10 mV的滿量程,檢測(cè)兩引腳之間的電壓差關(guān)系式如下:

Vsense=(Vin+)-(Vin-)=Isense·Rsense

(2)

芯片通過(guò)外圍電路配置在雙向輸出的工作狀態(tài),IN282AID輸出電壓為:

Vout=50·Vsense+V0

(3)

其中,V0為芯片的基準(zhǔn)電源,為電源參考值的一半。INA282AID放大精度恒定,這在一定程度上降低了偏流值轉(zhuǎn)換額外誤差的引入。由于輸出Vout值為負(fù)電壓無(wú)法被AD7682采集,并且輸出負(fù)電壓幅值較高,首先考慮對(duì)其進(jìn)行反向衰減達(dá)到AD7682輸入電壓識(shí)別范圍。但是光強(qiáng)變化引起的1550 nm SPAD偏流變化值很小(通常為μA量級(jí)),反向衰減會(huì)降低檢測(cè)精度增大誤差。同時(shí)當(dāng)運(yùn)算放大器工作在放大倍數(shù)小于1的情況時(shí),電路工作不穩(wěn)定會(huì)引入較大系統(tǒng)誤差。故排除反向衰減方案,電路上設(shè)計(jì)采用200 μA恒定電流的恒流源REF200AU驅(qū)動(dòng)電阻R進(jìn)行補(bǔ)償,將輸出電壓補(bǔ)償為正電壓,高穩(wěn)定性的恒流輸出是保證偏流檢測(cè)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。然后通過(guò)運(yùn)算放大芯片OPA350將補(bǔ)償后電壓放大輸出至AD7682,FPGA讀取AD7682上傳電壓值,再通過(guò)偏流擬合換算為偏流值。具體設(shè)計(jì)如圖3所示,通過(guò)電流檢測(cè)器件的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了將偏流檢測(cè)轉(zhuǎn)換為電壓值檢測(cè)的目的,使用高穩(wěn)定性恒流源保證了FPGA的有效識(shí)別,并且保障了檢測(cè)精度。

圖3 偏流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)原理圖Fig.3 Schematic diagram of bias current detection circuit design

3.3 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)使用C++語(yǔ)言,Qt5.9.2開(kāi)發(fā)環(huán)境,為測(cè)試用戶提供便捷的控制接口,協(xié)助測(cè)試用戶完成SPAD性能測(cè)試。在完成硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置,參數(shù)查詢,控制命令及偏流擬合的功能。上位機(jī)軟件參數(shù)配置查詢與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳功能實(shí)現(xiàn)如圖4所示,提供了一種良好的用戶交互體驗(yàn),數(shù)據(jù)下發(fā)與查詢方便快捷。

圖4 上位機(jī)界面Fig.4 Host computer interface

AD7682采集的信號(hào)是待測(cè)SPAD偏流變化時(shí)引起的電路輸出電壓值的波動(dòng),為實(shí)現(xiàn)SPAD參數(shù)標(biāo)定過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)偏流值的功能,上位機(jī)需要對(duì)AD7682采集的電壓值進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到實(shí)際偏流值。已知恒流源REF200AU輸出電流Iref,實(shí)際檢測(cè)電壓值:

Vsens=Iref·R14-Vout

(4)

綜合公式(2)、(3)、(4)可得:

Isense=(Iref·R14-V0-Vsens)/(50·Rsense)

(5)

公式(5)實(shí)現(xiàn)了Vsens與Isense對(duì)應(yīng)關(guān)系式的確立。INA282AID檢測(cè)電流:

Isense=HV/R12+Ihv

(6)

易知Ihv與FPGA識(shí)別上傳的Vsens采樣電壓ADC值之間存在線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。上位機(jī)處理方式:用上位機(jī)軟件設(shè)置多組HV值,讀取每個(gè)HV值對(duì)應(yīng)于AD7682采樣的電壓ADC值,并計(jì)算得到相對(duì)應(yīng)的偏流值數(shù)據(jù)。將采樣電壓ADC值作為X軸,理論偏流值作為Y軸進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,取值范圍必須足夠分散,以保證擬合曲線的精度。當(dāng)近紅外1550 nm SPAD標(biāo)定系統(tǒng)正常工作時(shí),SPAD檢測(cè)到光子輸入產(chǎn)生雪崩信號(hào),偏流值變化進(jìn)而引起電路輸出值Vsense變化,AD7682輸入電壓產(chǎn)生變化,FPGA讀取AD7682上傳ADC值,代入數(shù)據(jù)到擬合曲線中計(jì)算得到實(shí)時(shí)偏流值。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

待測(cè)SPAD選用1550 nm 波長(zhǎng)的InGaAs單光子雪崩光電二極管進(jìn)行測(cè)試,利用上位機(jī)設(shè)置不同偏壓控制值,起始值50 V,步進(jìn)2 V,終止值70 V,測(cè)試對(duì)應(yīng)FPGA下發(fā)值,OPA454A輸入電壓值,以及實(shí)際的輸出偏壓,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 偏壓控制測(cè)試結(jié)果Tab.1 Bias voltage control test results

微分非線性度(differential nonlinearity,DNL)是任意兩個(gè)相鄰碼之間測(cè)量的變化與理想的1LSB變化的差別,不超過(guò)1LSB的微分非線性保證了系統(tǒng)的單調(diào)性[9]。

DNL=|[VD+1-VD]/VLSB-IDEAL-1|

(7)

其中,0

上位機(jī)線性擬合功能驗(yàn)證:上位機(jī)設(shè)置偏壓值HV,以4.5 V為步進(jìn)取值十組數(shù)據(jù),偏壓取值范圍10～50 V,測(cè)試標(biāo)定系統(tǒng)采集ADC值并繪制線性擬合曲線如圖5所示。

圖5 線性擬合曲線Fig.5 Linear fit curve

從圖中可得,線性擬合函數(shù)為Y=-0.0023X+83.145,SPAD實(shí)際偏流值跟隨電壓采樣ADC值波動(dòng)呈線性變化,經(jīng)驗(yàn)證上位機(jī)線性擬合功能正常。

為驗(yàn)證偏流檢測(cè)功能,將SPAD標(biāo)定設(shè)備輸入光強(qiáng)標(biāo)定為單光子狀態(tài),配置偏壓、溫度等參數(shù)使得待測(cè)SPAD在正常工作狀態(tài),改變輸入光功率,觀察上位機(jī)APD偏流值顯示并記錄數(shù)據(jù)如表2所示。可得,當(dāng)輸入光強(qiáng)發(fā)生改變時(shí)上位機(jī)顯示偏流值實(shí)時(shí)改變,且隨光強(qiáng)增加偏流值逐漸增加。

表2 偏流檢測(cè)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Bias current test results

5 結(jié) 論

通過(guò)選用高精度DAC、高穩(wěn)定性電源及高壓運(yùn)放的偏壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),最高輸出電壓可達(dá)75 V,電壓控制精度小于30 mV,輸出紋波經(jīng)過(guò)濾波后小于100 mV,上位機(jī)下發(fā)控制電壓與實(shí)際測(cè)試電壓具有良好的一致性,滿足測(cè)試APD對(duì)偏壓的要求。同時(shí),利用電流檢測(cè)器件、恒流源補(bǔ)償、高壓運(yùn)放組成的偏流檢測(cè)電路可監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)的偏流值,并通過(guò)上位機(jī)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示,反應(yīng)SPAD的工作電流。實(shí)踐證明,設(shè)計(jì)電路工作性能理想,上位機(jī)界面用戶交互友好,操作簡(jiǎn)潔方便,提高了系統(tǒng)控制精度,滿足使用要求,已經(jīng)應(yīng)用于近紅外1550 nm SPAD標(biāo)定系統(tǒng)中,工作穩(wěn)定可靠。