近红外1550 nm单光子探测器硬件电路设计

高家利,汪 科,盘红霞

(重庆理工大学工程训练与经管实验中心,重庆 400054)



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近红外1550 nm单光子探测器硬件电路设计

高家利,汪 科,盘红霞

(重庆理工大学工程训练与经管实验中心,重庆 400054)

针对现有单光子探测器模块价格昂贵和体积大的不足,设计了基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的便携式单光子探测器,给出了探测器温控模块和偏置电压源的设计电路,门控信号的产生和雪崩信号的提取由FPGA完成。实验结果表明：在200 MHz门控条件且制冷温度为-55 ℃时,探测器的最大光子探测效率(PDE)约为16%,当探测效率为12%时,暗计数率(DCR)约为8.2×10-6/ns。

单光子探测器；雪崩光电二极管；FPGA；光子探测效率；暗计数率

1 引 言

单光子探测器是极弱光检测系统的核心器件,在量子通信、激光测距和生物医学等领域有广泛的应用[1-4]。适用于车载或星载的小型单光子探测器目前是有关科研机构重点研究的对象。能够响应单光子的光电器件主要有光电倍增管和雪崩光电二极管(avalanche photon diode,APD)。光电倍增管体积较大且需要较大的工作电压,不利于系统小型化[5-6]。APD有Si和InGaAs/InP两种材料类型,Si材料的APD对可见光有比较高的探测效率,而对近红外波段光子的探测,InGaAs/InP型APD有着很高的响应度。1550 nm波段的近红外光具备人眼安全性,穿透烟雾的能力强,在光纤中传播损耗低[7-8]。但常用的1550 nm激光器的输出功率比较低,使用一般的探测器探测难度较大,所以研究可响应单个近红外波段光子的小型化单光子探测器具有实用价值。

2 系统结构设计

设计的1550 nm单光子探测器结构框图如图1所示。系统主要包括APD制冷模块、APD淬灭-重置驱动电路、直流偏置电压源和雪崩信号提取电路。探测器核心器件采用Excelitas公司的C30645EH型InGaAs/InP APD,该APD可以工作在线性模式和盖革模式,对900～1800 nm的红外波段光信号均有响应,峰值响应在1550 nm。

图1 单光子探测器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of single photon detector

2.1 APD制冷方案设计

APD需要较低的温度来保证探测效率和抑制暗电流,暗电流主要是由APD内部热噪声、隧道贯穿和掺杂缺陷处的势阱引起的,暗电流会导致误计数,所以在探测器内部必须对APD进行制冷处理。在相同的响应率时,温度越低,所需偏置电压越小,暗电流和后脉冲也会减少。

考虑系统的便携性及温度精度可调,采用Peltier半导体制冷片和热敏电阻来实现对APD的精确制冷。选用MAXIM公司的MAX1969作为半导体制冷片的驱动芯片,该芯片是具备高效率和高集成度的开关型驱动器,适用于Peltier热电制冷模块。使用ST公司STM8L单片机对热敏电阻的采样电压进行数字化处理,与设定温度进行比较和PID处理后,将控制信号输出到MAX1969。制冷模块框图如图2所示,经试验最低制冷温度达到-60 ℃,控温精度±0.1 ℃并能保持恒温。

图2 制冷系统示意图Fig.2 Schematic diagram of refrigerator system

2.2 直流偏置电压源

工作在盖革模式下的APD对偏置电压要求非常高,电压的微小变动会引起倍增因子的剧烈波动,并最终影响探测器的计数效率。APD对偏置电压源的要求是：噪声低、电流大、电压纹波稳定且足够小,设计的偏置电压源电路图3所示。采用LM2577芯片作为电源的可调升压转换器,该芯片内部噪声低、频率固定,具有过流、低压、温度保护功能。电源稳压器采用凌力尔特公司的高温线性稳压器件LT3012,低压差仅为360 mV。设计的直流偏置电源1.24～80 V连续可调,调节精度0.01 V,电流达到500 mA,纹波系数小于0.05%。

图3 直流偏压电路图Fig.3 Circuit program of bias voltage

2.3 APD淬灭-重置电路

工作在盖革模式下的APD探测到入射光子后会发生雪崩效应,内部电流不断持续增大,必须降低偏置电压使其迅速淬灭,否则会击穿APD。淬灭发生后,将偏置电压迅速重置至盖革模式,以便响应下一个入射光子。淬灭-重置驱动信号可以由外部逻辑电路产生,但逻辑电路产生的门控频率较低。短门控方式可以产生高速门控信号,但需要外部的高频信号发生器、同轴线和微波器件,体积庞大,不易调试。本文利用FPGA产生的高频窄门控信号做为APD的淬灭-重置驱动电路,调试简单,小巧灵活。采用Xilinx公司Virtex6型号的FPGA产生200 MHz的窄脉冲,通过电容耦合到APD的阴极,作为APD的驱动电路,如图4所示。

2.4 雪崩信号提取电路

雪崩现象发生后,雪崩电流通过采样电阻提取后,电压信号仍然十分微弱,必须经过高速放大器进行10倍的放大后,才能送入高速比较器比较鉴别出雪崩信号。由于APD本身的容性效应,在探测的同时会产生一个幅值远大于雪崩信号的尖峰噪声,所以需要采用边沿锁存的方式来提取有效信号送入FPGA进行计数。基于FPGA的驱动电路和信号提取电路如图4所示。

图4 基于FPGA的驱动和信号处理电路Fig.4 driver and signal processing circuit based FPGA

3 实验结果及分析

对本文设计的单光子探测器的探测性能进行了测试,温度稳定控制在-55 ℃,测试光源为中心波长为1550 nm的弱相干激光器,经可变衰减器衰减至平均每脉冲0.1个光子的单光子级别,激光重复频率10 MHz,200 MHz门控信号和激光器由PPGA同步触发,门控宽度500 ps。探测器的光子探测效率PDE可以通过公式(1)计算:

(1)

其中,CT是开启激光器情况下的计数率;CD是关闭激光器情况下的计数率;FL是激光的频率;0.1是每个激光脉冲包含的光子数。

暗计数率DCR用公式(2)计算：

(2)

其中,TH是死区时间;TG是有效地半高宽,经过试验可以测得有效半高宽为400 ps。调节偏置电压,分别计算出PDE和DCR,得到偏置电压与PDE和DCR的关系如图5所示。

图5 PDE、DCR与偏置电压的关系Fig.5 PDE and DCR dependence of bias voltage

从图中可以看出,探测器偏置电压达到41.4 V时,探测效率趋近饱和达到16%,偏置电压和探测效率成近似线性关系,而与暗计数率DCR成近似指数关系,随着偏置电压的提高,DCR的增加幅度非常大。而PDE在12%时,DCR只有8.2×10-6/ns。实际使用过程中,需要根据具体情况,选择合适的偏置电压,从而获取理想的探测效率和暗计数率。

4 结 语

设计了基于InGaAs/InP APD的1550 nm的单光子探测器,给出了探测器各个模块的具体设计方案,经试验可知,设计的探测器在-55 ℃时,1550 nm近红外波段的单光子探测效率最大可达到16%,在探测效率为12%,暗计数率只有8.2×10-6/ns。这种小型化易调节的单光子探测器可以应用在光子计数激光测距和量子通信等领域。

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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

重庆市教委科学技术研究项目(No.0103121276)资助。

高家利(1981-),男，工程师，主要从事近红外波段的单光子探测技术研究。E-mail：80697394@qq.com

2014-10-20;

2014-10-31

O439；TP11

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.06.015