基于APD线列的单光子探测计数研究

张常年,张栎存,康小麓

(北方工业大学 电子信息工程学院，北京 100144)



基于APD线列的单光子探测计数研究

张常年,张栎存,康小麓

(北方工业大学 电子信息工程学院，北京 100144)

单光子探测系统可以对单个光子进行探测；探测系统含有探测部分、淬灭电路部分和计数部分；探测部分主要由工作在盖革模式下的雪崩光电二极管组成；在盖革模式下的雪崩光电二极管发生雪崩后不能自然停止，淬灭部分主要为了主动抑制雪崩电流，快速降低雪崩电压，以达到提高探测效率，降低错误计数的目的；APD线列产生多个光子脉冲信号，计数部分的主要功能是对多路光子脉冲信号进行计数、显示并且可以控制每路APD的比较电压，保证每路APD淬灭电路的正常工作。

单光子探测；雪崩二极管；淬灭电路；计数电路

0 引言

随着量子信息技术的飞速发展，单光子探测器已经成为各国重点研究课题之一。光子是最小的能力和信息载体。在可见光段，一个光子的能量在10-19J量级，要探测如此微弱能量的光子是一个难题，而新式光电探测技术——单光子探测技术，可以利用新式光电效应对能量极小的光子进行探测和计数，因此在天文探测、大气测污、量子通讯等领域受到了深入的研究。目前已经有多种器件可以用来制作单光子探测器，其中包括光电倍增管、电荷耦合器件、微通道板、混合式光电二极管和盖革模式雪崩光电二极管。多个雪崩光电二极管(APD)组成的线列或阵列可作为的单光子探测器的主要器件，其主要应用于光子成像技术领域，在探测远程非合作目标时，探测器收到的回播信号极其微弱，甚至只有几个或者单个光子的能量，因此对于这种微弱光信号的探测与成像，就需要由多个APD组成的线列或阵列的单光子探测器对目标进行探测与成像。

1 总体设计

光子探测器主要是由APD雪崩光电二极管、放大器、比较器、和光子计数器组成，由多个APD组成的线列光子探测器可以同时进行多路计数。图1所示为多个APD组成的线列光子探测系统+原理图。

图1 APD线列单光子探测系统原理图

探测器工作时，由于光的量子性，微弱的光信号是随机分布的，当探测器检测到了微弱的光信号后，输出光子脉冲信号。光子脉冲信号为电脉冲信号，为了使比较器可以更好的比较光子脉冲信号与门限阈值幅度差，光子脉冲信号需要足够的幅度，则需要在比较器前加入前置放大器，光子脉冲信号经放大器放大之后进入比较器与门限阈值进行比较并整形，最后输出为TTL电平，再由光子计数器对其进行计数处理。

2 淬灭电路设计

使用APD器件设计的单光子探测器具有功耗低、量子效率高、体积小等优点。通常APD两端所加的反向电压要高于雪崩击穿电压，并且雪崩在发生后不能自然停止，还会产生很大的电流，容易使管子烧毁。为了解决这些问题，需要采取措施淬灭雪崩，抑制雪崩电流，并为探测下一个光子的到来做好准备。所以淬灭电路设计的优劣，对于单光子探测器的探测效率和精准度起着关键作用。

完成一次淬灭需要有3个步骤：1)感应雪崩信号的同时输出TTL脉冲电平信号。2)脉冲信号控制APD两端的偏置电压，使其低于雪崩击穿电压，淬灭雪崩。3)重新恢复偏置电压，为下一个光子的到来最好准备。常见的淬灭方式有3种：被动淬灭、主动淬灭和门控淬灭。对于非合作目标的探测通常使用被动淬灭和主动淬灭的方式，而主动淬灭的响应速度要高于被动淬灭，性能较优。

主动淬灭的工作原理如图2所示。

图2 主动淬灭工作原理图

主动淬灭相当于在被动淬灭模式后面加上两个模块：通过反馈的淬灭模块以及恢复模块。它与被动淬灭模式的区别在于利用了反馈的优势，当探测器检测到雪崩信号后立刻反馈到APD的驱动电压上，降低偏置电压至APD的雪崩击穿电压之下，淬灭雪崩。

工作在盖革模式下的APD，其两端电压高于雪崩击穿电压。一旦APD接收到入射光子，雪崩发生，瞬间产生的雪崩大电流，信号提取电阻Rs两端产生雪崩信号，经前置放大器和比较器后输出TTL电平信号控制开关K1闭合，使得APD两端电压降到雪崩电压以下，之后K2闭合使APD恢复至雪崩发生前的状态，为探测下一个光子做好准备。

淬灭电路性能的优劣主要取决于淬灭时间和恢复时间的长短。在淬灭与恢复的过程中，APD无法探测光子，通常将这段无法探测光子的时间称作死时间。死时间越短探测器的精度和工作频率越高。

2.1 雪崩信号甄别电路

前置放大器选用AD8001运放，其-3 dB带宽为880 MHz，响应时间为10 ns。比较器采用AD8611，AD8611的带宽为100 M，响应时间为4 ns。响应时间决定着探测到雪崩发生后产生淬灭的速度。比较器的参考电压Vref可通过STC12C56实现D/A功能，对每个APD单独进行设置，由于每个APD之间存在差异，所以Vref的可以根据实际情况由用户手动调节。图3为雪崩信号甄别电路。

图3 雪崩信号甄别电路

当光子到达时，高速的雪崩信号甄别电路迅速输出雪崩检测信号，淬灭与恢复电路收到信号后开始淬灭。

2.2 淬灭与恢复电路

淬灭与恢复电路收到信号后，控制开关管Q1导通，使得APD电压下降至VA-VQ，VQ为LM1117输出电压，可以通过改变可变电阻阻值进行调节，调节VQ使APD电压小于雪崩击穿电压，淬灭雪崩。经短暂延时后恢复信号控制开关管Q2闭合，完成恢复。图4为淬灭与恢复电路。

图4 淬灭与恢复电路

3 淬灭电路仿真分析

在制作电路实物之前，需要根据主动淬灭的原理，使用仿真软件对淬灭电路进行仿真分析。由于仿真器件中不存在雪崩二极管(APD)器件，故首先需要对APD建立等效电路模型，其次进行仿真分析。

3.1 APD等效电路模型

如图5所示，开关K模拟光子入射，开关闭合表示有光子入射。电压源为APD器件的雪崩电压。电阻为APD的内阻，电容分别为结电容和分布电容。

图5 APD等效电路模型

3.2 PSPice电路仿真电路

根据APD等效电路模型，使用PSPice对主动淬灭和被动淬灭进行仿真对比，图6所示。

图6 PSPice仿真电路图

3.3 仿真分析

根据APD的等效电路模型和主动淬灭电路原理，对4线列的APD的淬灭电路进行仿真，得到淬灭仿真波形，如图7所示。

图7 APD淬灭仿真波形图

如图，(a)(b)(c)(d)分别为参数不同的APD得到的波形结果，(e)为被动淬灭模式波形。对比两种淬灭方式，使用主动淬灭方式完全抑制雪崩所需要的时间远远小于被动淬灭模式。结果表明，对比被动淬灭模式，主动淬灭模式的死区时间短，因此提升了光子探测效率，降低错误计数，具有更好的性能。

4 计数电路设计

计数电路部分主要功能有两个：一是对光子脉冲信号进行计数并且显示，二是分别对每路APD的阈值门限电压进行设置。APD检测到雪崩信号后作出响应，输出TTL电平的光子脉冲信号，接着进入计数电路对输出的信号进行读取，并且同时对多路APD产生的光子脉冲信号进行计数。

计数电路采用主从机的多机通信方式，原理框图如图8所示。主机主要作用为显示与控制从机，从机的主要作用为对光子进行计数和控制D/A设置APD的阈值门限电压。

图8 计数电路原理框图

选用STC12C56作为从机，主要功能是对光子脉冲信号进行计数以及控制D/A模块产生门限阈值电压。主机选用LJD-eWinV5-ST3，LJD-eWinV5-ST3的主芯片为SAMUNG S3C2416，是一款基于Windows CE6.0操作系统下的控制平台。它拥有32位ARM926EJ高速处理器内核。LJD-eWinV5-ST3带有3路标准RS232、1路RS485，主机与从机之间通过4路串口的方式进行通信，可同时对多个从进行控制和分别显示从机传来的光子数值。

4.1 系统控制流程

该流程为从机控制流程，如图9所示，在程序初始化完成之后，进入接收指令状态。通过串口中断的方式接收来自主机的指令。当接收到命令时，判断为正确格式的指令后读取指令，并根据指令的类型完成相应的操作。

图9 从机控制流程

4.2 D/A部分

STC12C56本身不具有D/A功能，但具有PWM波输出功能，通过STC12C56系列自带的PWM波输出功能，通过更改脉宽改变PWM波直流分量，最后通过RC电路滤除高频分量波保留直流分量，即利用PWM实现D/A功能。其电路如图10所示。

图10 利用PWM实现D/A功能电路图

4.3 电平转换部分

主机带有3路标准RS232、1路RS485，从机的UART接口采用TTL正逻辑。因此和采用RS232负逻辑的主机相连时需要进行电平转换。TTL-232使用MAX232芯片，TTL-485采用MAX485芯片，与MAX232不同，MAX485需要通过控制切换发送使能和接收使能端进行数据的发送和接收，为了与其他3路串口通信的统一，利用硬件方式来实现自动收发转换的RS-485接口电路，通过74HC14芯片可以判断收发状态从而控制发送使能和接收使能端，达到自动收发的目的，如图11所示。

图11 自动收发转换的RS-485接口电路

5 结论

淬灭电路部分使用主动淬灭的方式对雪崩二极管完成淬灭与快速恢复过程，减少死区时间，提高探测精度，提升APD寿命；光子计数电路部分，采用主从机互相通信的方式，主机

用于控制与管理从机，从机负责完成计数和设置阈值电压的功能，对每个APD分别控制，提高线列APD的探测效率，增加了精确度，减少错误计数。

[1] 冯小溪,张栎存,康小麓. APD单光子探测器的抑制技术[J]. 中国科技信息,2015,Z2:29-31.

[2] 权菊香,张东升,丁良恩. Si-APD单光子探测器的全主动抑制技术[J]. 激光与光电子学进展,2006(5):43-46.

[3] 寇松峰,陈 钱,顾国华,等. 基于APD阵列的单光子计数成像研究[J]. 半导体光电,2008(6):968-972.

[4] 张雪皎,万钧力. 单光子探测器件的发展与应用[J]. 激光杂志,2007(5):13-15.

[5] 彭孝东,周金运,廖常俊,等. 雪崩抑制技术在SPADs中的应用[J]. 光子技术,2004(2):66-70.

[6] 林和志,黄联芬. 零延时RS-485接口电路的设计与应用[J]. 单片机与嵌入式系统应用,2005(11):31-33.

[7] 袁 俊,吴广国,张国青,等. SPAD单光子探测器SPICE电路模型的建立与仿真研究[J]. 核电子学与探测技术,2009(1):62-68.

Study of Single-photon Detection Based on the Linear Array APD

Zhang Changnian, Zhang Licun, Kang Xiaolu

(College of Information Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

The single-photon detection system can detect a single photon;detection system includes detection section, quenching circuit section and the counting section; Detecting section consists of avalanche photodiode, which works in Geiger mode; Avalanche photodiode can not stop naturally, quenched section aim to active suppression avalanche current, reduce avalanche voltage rapidly, to reach the goal of improving the detection efficiency and reducing the error count ; APD Linear Array produce multiple photon pulse signal，The main function of the counting section is counting and displaying multi-channel photon pulse signals, controling each road respectively, ensure the normal work of the APD quench circuit.

single-photon detection; avalanche photodiode; quenching circuit; counting circuit

2016-04-14；

2016-05-24。

张常年(1958-)，男，教授，主要从事电子电路系统方向的研究。

1671-4598(2016)09-0184-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.052

TP3

A