增益可調(diào)APD光電探測器的研究與設(shè)計(jì)

中圖分類號：TN253文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research and design of gain adjustable APD photodetector

SHE Huimin'， CHENG Yuqi1， LIANG Yan1，2 （1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering， Universityof Shanghai for Science and Technology， Shanghai 20oo93， China; 2.Shanghai Research Center forQuantumScience， Shanghai 2Ol315，China）

Abstract： Gain adjustable photodetectors based on avalanche photodiode （APD） are widely used in fields such as laser communication， laser radar and optical fiber sensing. Combining with lownoise broadband transimpedance amplifiers， they achieve high-sensitivity detection by utilizing the avalanche multiplication effect of the internal carriers in APD.To further enhance the gain dynamic range and response bandwidth of the APD detector， the study explored the relationship between the linear multiplication factor of the APD and the dark current to increase the gain factor of the APD. The amplification scheme of a transimpedance amplifier cascading an operational amplifier improved the gain adjustment range while guaranteeing the detector response bandwidth. In addition， a low-noise high-voltage direct current bias circuit module was designed with a ripple voltage of less than or equal to 2.5mV .Adjusting the voltage enabled the rapid switching of the APD multiplication factor M between 1，10， 50，100 and 200.The maximum adjustable APD detector gain reached 74dB . The bandwidth was 150MHz ，while the minimum noise equivalent power was only . This low-noise and large-dynamic range technology solution expands the applications of APD photodetectors.

Keywords： avalanche photodiode; transimpedance amplifier; high gain; gain adjustable detector

引言

在光電檢測應(yīng)用中，待測光信號往往呈動態(tài)變化。以激光測距為例，目標(biāo)距離的變化將直接導(dǎo)致接收光強(qiáng)的改變。為將信號放大至特定幅度以便后續(xù)采集和處理，設(shè)計(jì)了一款增益可調(diào)放大探測器。雪崩光電二極管（avalanchephoto-diode，APD）是一種具有內(nèi)部增益的光電探測器件，其倍增因子可隨偏置電壓發(fā)生改變，適用于制作增益可調(diào)光電探測器[1]。在倍增狀態(tài)下，APD有兩種有效工作模式：線性模式和蓋革模式。當(dāng)偏置電壓小于雪崩電壓時，APD對光生載流子進(jìn)行線性倍增，輸出光電流和入射光功率呈線性關(guān)系，即線性模式。當(dāng)偏置電壓高于雪崩電壓時，APD切換為蓋革模式。蓋革模式下的APD增益高達(dá) ，靈敏度高，具有單光子響應(yīng)能力，但雪崩會持續(xù)發(fā)生，需要外加淬滅電路進(jìn)行淬滅，因此設(shè)計(jì)較復(fù)雜[2-3]。線性模式下的APD可連續(xù)探測光信號且無需淬滅電路，其增益范圍為 10～10³ ，為實(shí)現(xiàn)有效信號提取與分析，需配合外置放大電路進(jìn)行增益放大[-5]

目前，APD的研究主要集中于結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化，以及蓋革模式下的單光子探測，而對線性模式的研究相對較少。主要研究機(jī)構(gòu)包括Indigo、Sofradir、Fujitsu、Nikon 等公司及LETI實(shí)驗(yàn)室。東南大學(xué)、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所等也對線性APD開展了深入研究[]。2010年，Akiba等結(jié)合電容反饋跨阻放大器（transimpedanceamplifier，TIA）電路實(shí)現(xiàn)了單像素線性模式APD光感應(yīng)電流的檢測。APD的工作頻率為 78kHz ，在 450nm 波段下，其等效噪聲功率低至 2.2×10^-20W?Hz^-0.5 。2017年，朱田友采用 0.35μm 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（complementarymetaloxidesemiconductor，CMOS）工藝，完成了 2×2 和 8×8 陣列的線性模式APD及跨阻放大器前置讀出電路的設(shè)計(jì)。2019年，王佩瑤[基于線性模式APD設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)讀出電路實(shí)現(xiàn)了 2.6pA?Hz^-0.5 的噪聲電流譜密度，大于 _1V 的輸出電壓擺幅，及 64dB 的線性動態(tài)范圍。上述成果主要聚焦線性APD的制備工藝優(yōu)化。相較于傳統(tǒng)研究，本研究結(jié)合成熟線性APD器件及放大芯片，設(shè)計(jì)了具有低噪聲、高帶寬和高動態(tài)調(diào)節(jié)范圍的增益可調(diào)APD探測器。

首先，探究了線性模式下APD倍增因子和暗電流的關(guān)系，根據(jù)增益系數(shù)確定偏置電壓范圍；然后，利用直流升壓開關(guān)電源模塊設(shè)計(jì)APD的高壓電源模塊，通過電壓多檔調(diào)節(jié)電路來改變APD倍增因子，實(shí)現(xiàn)APD增益可調(diào)；最后，采用跨阻級聯(lián)運(yùn)算放大器的放大方案，對傳統(tǒng)增益固定的放大電路進(jìn)行改進(jìn)，并對二級運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)增益可調(diào)，在提高增益系數(shù)和動態(tài)范圍的同時，保證了探測器的響應(yīng)帶寬。

雪崩光電二極管線性性能探究

倍增因子 （M） 和響應(yīng)度 （R）^[11] 是衡量APD性能的兩個重要參數(shù)。倍增因子指的是高偏置電壓下倍增光電流與增益等于1時的光電流之比，如式（1）所示。響應(yīng)度又稱靈敏度，是用來表示探測器輸出電信號與輸入光功率關(guān)系的參數(shù)，代表了APD光電轉(zhuǎn)換的能力，如式（2）所示[12]

式中： I_p 為不同反向偏置電壓下的光電流； I_d 為對應(yīng)的暗電流； I_p0 為 M=1 時的初始光電流;I_d0 為初始暗電流； P 為入射光的光功率； R₀ 為M=1 時探測器的響應(yīng)度。

為探究線性模式下APD倍增因子和響應(yīng)度隨偏置電壓的變化情況，選擇帶寬為 2.5GHz 的SiAPD（北京敏光科技有限公司）作為研究對象。由于Si的響應(yīng)波段為 400～1100nm ，實(shí)驗(yàn)選用該波段內(nèi)常見的 650nm 和 850nm 兩種波長的連續(xù)光進(jìn)行測試。圖1為測試裝置圖。

為避免激光器輸出的連續(xù)光超過SiAPD的最大輸入光功率，損壞APD器件，先用光衰減器將光功率調(diào)節(jié)到 1μW ，再用光纖將其接入SiAPD。并用可調(diào)直流穩(wěn)壓電源（APREXHPS3001， _0～300V ）為SiAPD提供偏置電壓，用高精度萬用表（RIGOLDM3058E）測量光電流。關(guān)掉衰減器，SiAPD無光接入，此時萬用表讀數(shù)為該偏置電壓下的暗電流。保持人射光功率不變，測量并記錄不同偏置電壓下的光電流和暗電流，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，保持入射光信號強(qiáng)度為 1μW 當(dāng)偏置電壓從0增加到 40V 時，光電流保持不變，此時倍增因子為1， 850nm 波段光電流為0.57μA ， 650nm 波段光電流為 0.27μA ，暗電流為pA量級，與 μA 量級的光電流相比非常小；當(dāng)偏置電壓高于 40V 時，光電流開始增大；當(dāng)偏置電壓為 74.5V 時， 850nm 波段光電流為 5.7μA ， 650nm 波段光電流為 2.65μA ；當(dāng)偏置電壓為 122V 時， 850nm 波段光電流為

57μA ， 650nm 波段光電流為 26.9μA 。當(dāng)偏置電壓大于 115V 時，器件受隧穿效應(yīng)的影響，暗電流開始增大[13]。當(dāng)偏置電壓從 115V 增大到126.5V 時，暗電流由 0.002nA 增至 當(dāng)偏置電壓為 129V 時，暗電流達(dá)到 120nA 。為避免暗電流過大，對探測器的靈敏度產(chǎn)生影響，SiAPD的工作電壓將控制在 126.5V 以下。

將上述測得的暗電流和光電流代入式（1）和式（2），可得到不同偏置電壓下SiAPD的倍增因子，結(jié)果見圖3。

各偏置電壓下， 850nm 和 650nm 波段的響應(yīng)度 R 和倍增因子 M 的情況詳見表1。

由表1和圖3可知，相同偏置電壓下，各波段倍增因子相近。但各偏置電壓下， 850nm 波段響應(yīng)度始終高于 650nm 波段響應(yīng)度，后續(xù)研究將選用 850nm 波段的光。當(dāng)偏置電壓大于126.5V 時，暗電流過大，影響探測增益，所以將SiAPD的線性模式最佳工作電壓設(shè)置為0～126.5V 。

2 電路設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)測得SiAPD的工作電壓為 0～126.5V 對應(yīng)倍增因子為 1～200 。為提高增益，采用跨阻級聯(lián)運(yùn)放方案，并通過高壓可調(diào)模塊為APD提供偏置電壓。

2.1 放大電路的設(shè)計(jì)

放大電路的作用是將SiAPD光電轉(zhuǎn)換后的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大。TIA具有低噪聲、高增益帶寬積（gainbandwidthproduct，GBWP）的優(yōu)勢，常被用作APD的前置放大器[14-15]。TIA的增益和帶寬成反比，增大反饋電阻會導(dǎo)致系統(tǒng)的帶寬降低。為避免帶寬過度壓縮，其增益不宜設(shè)置過大，通常需通過級聯(lián)運(yùn)放結(jié)構(gòu)來提高電路總增益。傳統(tǒng)兩級放大電路的設(shè)計(jì)為固定增益，為提高探測器的增益系數(shù)和增益動態(tài)調(diào)節(jié)范圍，需對兩級放大電路進(jìn)行改進(jìn)，改用滑動變阻器作為兩級運(yùn)放的反饋電阻。兩級放大電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中： U_HV 為高壓供電電源； I_in 為APD產(chǎn)生的輸入到TIA的光電流；VCC和VEE分別為放大芯片供電電源的正極及負(fù)極； C_f 和 r_f 分別為TIA電路的反饋電容和反饋電阻； U_ol 為一級TIA電路輸出電壓；AMP為二級放大電路； r₁ 為二級放大電路輸入電阻； r₂ 為固定反饋電阻，決定了二級放大電路的最小放大倍數(shù)； r_adj 為可調(diào)反饋電阻； r₃ 為用于電路阻抗匹配的輸出電阻； U 為最終輸出電壓。

TIA電路的反饋電阻為 r_f ，即跨阻增益為- ??r_f° 輸出電壓與輸入電流相位相反，表達(dá)式為

選用ADI公司的跨阻芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，其噪聲低，且GBWP高達(dá)4 GHz 。在確定反饋電阻阻值時，需要綜合考慮帶寬和放大器的最小噪聲。由于跨阻芯片噪聲電壓約為 2mV ，則經(jīng)跨阻放大后的信號幅度不能低于 2mV ，否則信號會被噪聲淹沒。因此，為能探測到亞微安量級的信號，反饋電阻的放大倍數(shù)不能低于 10⁴ 量級。最終選擇 20kΩ 的反饋電阻作為跨阻的增益。

TIA 的帶寬計(jì)算式[為

式中： P_GBW 為增益帶寬積，大小為 4GHz ：C_in 為APD結(jié)電容 （1pF） 和放大器電容（ 0.4pF 之和，為 1.4pF 。計(jì)算得跨阻帶寬為 150MHz 。

由于TIA負(fù)反饋環(huán)路結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致相位不穩(wěn)定，容易引發(fā)自激振蕩，同時高阻值反饋電阻還會引入噪聲。為抑制噪聲，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)時需在反饋端并聯(lián)補(bǔ)償電容[17]。反饋電容計(jì)算式為

式中： r_f 為 20kΩ ： f_TIA 為 150MHz 。計(jì)算得反饋電容為 0.05pF 。

由于反相比例放大只有差模信號，沒有共模影響，其抗干擾能力強(qiáng)，所以二級運(yùn)算放大電路設(shè)計(jì)采用反相比例放大電路。選用相同的放大芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，反相比例放大的電壓增益 A_v 為

反相比例放大電路的帶寬和增益的關(guān)系為

探測器的帶寬由APD的帶寬和放大器的帶寬中較小者決定。SiAPD的帶寬為 2.5GHz ，一級放大帶寬為 150MHz ，則二級放大帶寬不能低于 150MHz 。芯片的增益帶寬積為 4GHz ，由式（7）可得增益不能大于26倍。為便于設(shè)計(jì)，二級放大電路增益調(diào)節(jié)范圍設(shè)置為 _1～25 ，結(jié)合一級放大電路增益 （2×10⁴V/A ），兩級放大的增益變化范圍為 2×10⁴～5×10⁵V/A 0

2.2 電源模塊的設(shè)計(jì)

由于SiAPD倍增因子 M 由偏置電壓決定，本文提出設(shè)計(jì)多檔位可調(diào)高壓電源模塊為APD供電，通過調(diào)節(jié)偏置電壓，實(shí)現(xiàn)增益的精準(zhǔn)控制。電源模塊的檔位輸出電壓根據(jù)倍增因子 M=1 、10、50、100、200對應(yīng)的偏置電壓設(shè)定。由表1可知， M=1 、10、50、100、200時的偏置電壓分別為40.0、74.5、114.5、122.0和126.5V 。由于偏置電壓較高，需減少電源模塊噪聲影響，因此選用東文高壓公司生產(chǎn)的紋波噪聲小于 2.5mV 、動態(tài)調(diào)節(jié)范圍為 0～250V 的高壓電源模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。電源原理圖如圖5所示。

圖5中高壓模塊的參考電壓 U_ref 和可調(diào)控制引腳兩端輸出電壓 U_adj 符合電阻分壓原理

式中， U_ref 為 5V 。高壓模塊的輸出電壓 U_HV 與U_adj 的比例關(guān)系為

式中， U_max 為高壓模塊的最大可輸出電壓。由式（8）和式（9）可得 U_HV 和 r_x 的關(guān)系為

式中： U_max=250V ： r₉=10kΩ 。計(jì)算可得 M=

1、10、50、100、200時，對應(yīng) r_x 為52.5、23.6、11.8、10.5和 9.8kΩ 。根據(jù)該計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)高壓可調(diào)電源模塊，并利用萬用表來驗(yàn)證電壓輸出的準(zhǔn)確性。

3 性能測試

根據(jù)表1，選擇響應(yīng)度更高的 850nm 波段進(jìn)行測試，測試系統(tǒng)如圖6所示。將激光器的輸出端連接至可調(diào)衰減器，然后通過 50：50 的分束器將光均分成兩路，一路接至光功率計(jì)，另一路接至探測器。通過光功率計(jì)實(shí)時監(jiān)測探測器中入射光功率的大小。將探測器輸出端連接至示波器（RIGOLDHO4804， 800MHz ），以采集輸出信號。輸出電壓理論值的計(jì)算式為

U=P×R×M×G

式中： P 為輸入光功率； R 為響應(yīng)度， 850nm 波段，SiAPD倍增因子為1時， R=0.57A/W ：M 為 SiAPD的倍增因子； G 為放大模塊增益

該探測器增益可調(diào)是通過APD和放大模塊 來實(shí)現(xiàn)的，接著將對它們分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1APD增益可調(diào)驗(yàn)證測試

先用直流光測試APD的增益隨偏置電壓變化的情況。將放大增益設(shè)為 2×10⁴V/A ，高壓調(diào)到M=200 檔位。輸出電壓隨輸入光功率的增加而增加，當(dāng)光功率增至 530nW 以上時，輸出電壓維持不變（ |1.2V? ，達(dá)到飽和。為避免輸出電壓飽和失真，測試采用 500nW 的直流光，放大模塊增益為 2×10⁴V/A 不變，通過切換高壓模塊的檔位開關(guān)，改變SiAPD的偏置電壓和倍增因子M ，示波器測試結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng) M 為10、50、100、200時，輸出電壓分別為 56mV 、 280mV 、 560mV 以及 1.12V 。根據(jù)式（11）可得，對應(yīng)理論電壓分別為 57mV 、 285mV 、 570mV 以及 1.14V 。由于測量過程中存在光纖損耗和測量設(shè)備誤差，實(shí)際測量電壓比理論電壓約小 1.75% ，該偏差在允許誤差范圍內(nèi)。由此，驗(yàn)證了改變APD倍增因子實(shí)現(xiàn)探測器增益可調(diào)這一方案的可行性。

3.2 放大模塊增益可調(diào)驗(yàn)證測試

使用脈沖光驗(yàn)證通過改變放大模塊增益實(shí)現(xiàn)探測器增益可調(diào)的可行性。測試采用的脈沖光重復(fù)頻率為 10MHz ，上升時間為 1ns 。當(dāng) M= 100，二級增益為25，輸出電壓為1V時，光功率為 36nW ，輸出未達(dá)到飽和。因此，將入射光功率設(shè)定為 36nW 。保持入射光功率及APD倍增因子不變，調(diào)節(jié) r_adj ，改變二級放大增益，輸出電壓如圖8（a）所示。

當(dāng)二級增益為1、5、10、15、20、25時，輸出電壓分別為 40mV 、 200mV 、 400mV 600mV 、 800mV 和 1000mV 。由式（11）可得，對應(yīng)電壓理論值為 41mV 、 205mV 、 410mV 、615mV 、 820mV 以及 1025mV 。受測量過程中光纖損耗和測量設(shè)備誤差影響，測量值比理論值小約 2.4% ，該偏差在允許誤差范圍內(nèi)。由此，驗(yàn)證了改變放大電路增益實(shí)現(xiàn)探測器增益可調(diào)這一方案的可行性。與基于SiPIN光電二極管探測器相比，該探測器的探測靈敏度實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級提升，見圖8（a）和（b）。

由于放大模塊的增益可調(diào)范圍為 2×10⁴～ 5×10⁵V/A ，APD增益可調(diào)范圍為 1～200 ，所以探測器增益動態(tài)范圍為 74dB 。

由圖8可知，改變放大增益，脈沖的上升時間 （T_r） 始終為 2.3ns 。將其代入帶寬經(jīng)驗(yàn)公式

計(jì)算得到探測器的帶寬 （f_BW ）約為 150MHz ，與預(yù)期設(shè)計(jì)帶寬相符。

3.3噪聲等效功率測試

噪聲等效功率（noise equivalent power，NEP）是探測器輸出電壓等于噪聲電壓時所需的入射信號功率，它是衡量光電探測器接收微弱光信號能力的性能參數(shù)。當(dāng)信號功率小于噪聲等效功率時，探測器輸出信號強(qiáng)度小于噪聲，信號不能檢出。所以，噪聲等效功率愈小，探測器靈敏度愈高[18]。根據(jù)定義可得

式中： D_NEP 為噪聲等效功率； U_s 為信號電壓；U_n 為噪聲電壓； R_s 為探測器的響應(yīng)度； G 為探測器兩級放大總增益； R 為APD的響應(yīng)度。

由于探測器的噪聲等效功率是在給定測量帶寬下，產(chǎn)生與噪聲輸出功率相等的信號輸出所需的入射光功率，因此需對帶寬歸一化以便比較。式（13）可轉(zhuǎn)化為

式中，探測器的帶寬為 150MHz 。

調(diào)節(jié)偏置電壓，測量不同增益下SiAPD的噪聲譜密度，并將其代入式（14），計(jì)算可得： M= 1、10、50、100、200時，對應(yīng)噪聲等效功率分別為2.00、0.30、0.05、0.02和 0.40pW?Hz^-0.5 。

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng) M 不超過100時，APD的暗電流小于 0.008nA ，噪聲變化小，噪聲等效功率主要受增益影響，且隨增益增加而減?。划?dāng) M= 200時，APD的暗電流達(dá)到 0.330nA ，此時探測器噪聲受暗電流影響較大，噪聲等效功率變大。因此， M=100 時，探測器的噪聲等效功率最小，為0.02 pW·Hz-0.5。

將本文設(shè)計(jì)的SiAPD探測器和市面上以及文獻(xiàn)中高性能的增益可調(diào)APD探測器進(jìn)行了對比[19]，詳見表2。對比發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的探測器在帶寬、噪聲等效功率、增益和動態(tài)調(diào)節(jié)范圍方面具有明顯優(yōu)勢。

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的增益可調(diào)APD放大探測器由高帶寬SiAPD、低噪聲TIA和二級增益可調(diào)放大電路構(gòu)成。通過調(diào)節(jié)SiAPD偏置電壓實(shí)現(xiàn)倍增因子線性可調(diào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)探測器增益可調(diào)。測試表明，該探測器增益可調(diào)節(jié)范圍達(dá) 74dB ，帶寬為

150 MHz，最小噪聲等效功率為0.02pW·Hz-0.5其低噪聲、高帶寬、高增益及大動態(tài)調(diào)節(jié)范圍的特性，可適配不同應(yīng)用場景，為光纖通信、激光測繪、生物檢測及光纖傳感等領(lǐng)域提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

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（編輯：李曉莉）