近红外SPAD标定的偏压偏流控制系统研究

高雪峰,洪占勇,蒋连军

(1.安徽省航空结构件成形制造与装备实验室,安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学工业与装备技术研究院,安徽 合肥 230009；3.科大国盾量子技术股份有限公司,安徽 合肥 230088)

1 引 言

近年来,通信市场表现出强劲的发展趋势,光通信产业迅速增长,尤其是以量子通信为代表的新兴产业,持续对单光子探测器件提出更高的技术要求[1]。单光子雪崩二极管(SPAD)是一种新型高灵敏度光电传感器件,具有很强的内部增益可用于识别微弱的光信号,已成为量子通信领域的关键共性器件[2]。1550 nm波段的近红外光具备人眼安全性,在光纤中传播损耗低,被大量广泛应用到单光子通信中[3]。SPAD的性能由探测效率、暗记数率、后脉冲等参数综合决定,这些参数往往相互影响、相互制约,因此SPAD的测量是一个系统性工作,只有全面测量标定关联参数,才能反映其真实性能[4-6]。SPAD用于单光子探测时需要提供Pin_N到Pin_P的反向偏置电压使其工作在盖革模式[7]。通过对SPAD特性的研究,可知偏压控制值的变化会对SPAD性能参数值的测量产生重要影响。为保证测量标定结果的准确性,偏压控制精度目标值为±30 mV,同时要求能够实时检测给到SPAD管偏压信号的电流,反映其雪崩电流的大小。

针对SPAD标定过程中要求的高精度偏压控制及偏流检测功能,研究了一种偏压控制及偏流检测系统。该系统达到了较高的偏压控制精度及检测精度,且具有较强的系统稳定性。并通过实验验证了高精度偏压控制系统的可行性及微分非线性误差,检验了偏流检测功能,满足近红外1550 nm SPAD标定系统的要求。

2 系统原理

本文设计了一种基于FPGA的偏压控制及偏流检测系统,用于近红外1550 nm SPAD标定系统。设计原理如图1所示。系统分为偏压控制与偏流检测两部分电路实现。上位机通过FPGA将偏压控制信号HV下发,然后控制16位DAC芯片AD5665输出相应的模拟电压信号Hv_ctrl,实现数字信号与模拟信号的转换,经过运算放大器芯片OPA454A进行电压的反向放大后配置到待测SPAD相应管脚,从而实现偏压控制的功能。

偏压信号线上串接一个Sense电阻,通过电流检测器件IN282AID检测其输出电压,使用恒流源REF200AU驱动电阻R进行电压补偿,达到将偏流检测转换成电压检测的目的,输出电压经过运算放大器芯片OPA2350进行电压放大发送给模数转换芯片AD7682。FPGA读取AD7682采集的电压值,再通过公式推导换算成偏流值。IN282AID工作电压由AD5665产生参考电压进行电压跟随及高压运放控制供给。

图1 系统设计原理图Fig.1 System design schematic

3 软硬件实现方案

3.1 偏压控制电路

单光子雪崩光电二极管是具有强内部增益的高量子效率器件,实际使用中的光电二极管通常采用PIN结构,用于单光子探测时工作在二极管的反向导通区,即电压为负,P端接低电压。当反向电压大于二极管雪崩电压时,内部载流子激增进入雪崩倍增状态。继续增加反向偏压,当电压超过击穿电压时,二极管进入击穿状态,也就是我们通常提到的盖革模式。这一工作模式下,仅有一个光子入射也可以迅速激发载流子产生光电流。外加的反向偏压越大二极管内部电场就会越强,激发产生的内部电流也就越大。所以SPAD在标定过程中需要高精度的偏置电压,微小的偏置电压变化可能导致暗计数率、后脉冲率、探测效率等参数的较大波动[8]。

为保证设计电路的控制精度采用高精度DAC和高稳定性电源。模数转换芯片选用AD公司设计的16 bit高精度DAC芯片AD5665,内部集成了进程控制、数据采集、数字增益和偏移调整、可编程电压和电流源、可编程衰减器等功能。芯片采用I2C总线进行数据的传输,具有极低的电流消耗,抗高噪声干扰。在Verf=2.5 V时,控制精度小于0.5 mV,供电电源纹波小于10 mV。OPA454A构成反向放大器,其电压增益变换关系式为:

G=-R9/(R7+R8)

(1)

其中,R9=200 kΩ,R7=100 Ω,R8=10 kΩ,可得电压增益G为-19.8。AD5665输出模拟电压信号Hv_ctrl范围:0～5 V。OPA454A芯片采用5 V+/-75 V供电,故输出偏压范围0～75 V。BAV99LT1是一种开关二极管,起保护和抑制传导抗扰的作用。具体设计如图2所示。采用低功耗器件AD5665与运放芯片OPA454A极大的简化了电路设计,并可通过上位软件下发参数精准的进行SPAD偏压的配置。

图2 偏压控制电路设计原理图Fig.2 Schematic diagram of bias voltage control circuit design

3.2 偏流检测电路

偏置电流作为SPAD另一重要参数,反映了SPAD雪崩电流的大小,SPAD标定设备通过检测偏流值来确认待测SPAD管的暗电流以及进行强光预警。偏流检测电路在HV偏压信号线上串接一个Sense电阻,电阻两端分别接到电流检测器件INA282AID的IN+和IN-引脚,INA282AID(0.3 μV/℃ 0.005 %/℃ 50 V/V)是电压输出电流并联监控器,此监控器能够感测-14～80 V的共模电压压降,与电源电压无关。采用零漂移架构可以使得电流感测在整个分流器上的最大压降降低至10 mV的满量程,检测两引脚之间的电压差关系式如下:

Vsense=(Vin+)-(Vin-)=Isense·Rsense

(2)

芯片通过外围电路配置在双向输出的工作状态,IN282AID输出电压为:

Vout=50·Vsense+V0

(3)

其中,V0为芯片的基准电源,为电源参考值的一半。INA282AID放大精度恒定,这在一定程度上降低了偏流值转换额外误差的引入。由于输出Vout值为负电压无法被AD7682采集,并且输出负电压幅值较高,首先考虑对其进行反向衰减达到AD7682输入电压识别范围。但是光强变化引起的1550 nm SPAD偏流变化值很小(通常为μA量级),反向衰减会降低检测精度增大误差。同时当运算放大器工作在放大倍数小于1的情况时,电路工作不稳定会引入较大系统误差。故排除反向衰减方案,电路上设计采用200 μA恒定电流的恒流源REF200AU驱动电阻R进行补偿,将输出电压补偿为正电压,高稳定性的恒流输出是保证偏流检测准确性的关键。然后通过运算放大芯片OPA350将补偿后电压放大输出至AD7682,FPGA读取AD7682上传电压值,再通过偏流拟合换算为偏流值。具体设计如图3所示,通过电流检测器件的应用实现了将偏流检测转换为电压值检测的目的,使用高稳定性恒流源保证了FPGA的有效识别,并且保障了检测精度。

图3 偏流检测电路设计原理图Fig.3 Schematic diagram of bias current detection circuit design

3.3 上位机软件

上位机软件开发使用C++语言,Qt5.9.2开发环境,为测试用户提供便捷的控制接口,协助测试用户完成SPAD性能测试。在完成硬件电路设计的基础上,上位机软件主要实现参数配置,参数查询,控制命令及偏流拟合的功能。上位机软件参数配置查询与数据实时上传功能实现如图4所示,提供了一种良好的用户交互体验,数据下发与查询方便快捷。

图4 上位机界面Fig.4 Host computer interface

AD7682采集的信号是待测SPAD偏流变化时引起的电路输出电压值的波动,为实现SPAD参数标定过程中实时检测偏流值的功能,上位机需要对AD7682采集的电压值进行转换得到实际偏流值。已知恒流源REF200AU输出电流Iref,实际检测电压值:

Vsens=Iref·R14-Vout

(4)

综合公式(2)、(3)、(4)可得:

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

(5)

公式(5)实现了Vsens与Isense对应关系式的确立。INA282AID检测电流:

Isense=HV/R12+Ihv

(6)

易知Ihv与FPGA识别上传的Vsens采样电压ADC值之间存在线性对应关系。上位机处理方式:用上位机软件设置多组HV值,读取每个HV值对应于AD7682采样的电压ADC值,并计算得到相对应的偏流值数据。将采样电压ADC值作为X轴,理论偏流值作为Y轴进行数据拟合,取值范围必须足够分散,以保证拟合曲线的精度。当近红外1550 nm SPAD标定系统正常工作时,SPAD检测到光子输入产生雪崩信号,偏流值变化进而引起电路输出值Vsense变化,AD7682输入电压产生变化,FPGA读取AD7682上传ADC值,代入数据到拟合曲线中计算得到实时偏流值。

4 实验测试与结果分析

待测SPAD选用1550 nm 波长的InGaAs单光子雪崩光电二极管进行测试,利用上位机设置不同偏压控制值,起始值50 V,步进2 V,终止值70 V,测试对应FPGA下发值,OPA454A输入电压值,以及实际的输出偏压,测试结果如表1所示。

表1 偏压控制测试结果Tab.1 Bias voltage control test results

微分非线性度(differential nonlinearity,DNL)是任意两个相邻码之间测量的变化与理想的1LSB变化的差别,不超过1LSB的微分非线性保证了系统的单调性[9]。

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

(7)

其中,0

上位机线性拟合功能验证:上位机设置偏压值HV,以4.5 V为步进取值十组数据,偏压取值范围10～50 V,测试标定系统采集ADC值并绘制线性拟合曲线如图5所示。

图5 线性拟合曲线Fig.5 Linear fit curve

从图中可得,线性拟合函数为Y=-0.0023X+83.145,SPAD实际偏流值跟随电压采样ADC值波动呈线性变化,经验证上位机线性拟合功能正常。

为验证偏流检测功能,将SPAD标定设备输入光强标定为单光子状态,配置偏压、温度等参数使得待测SPAD在正常工作状态,改变输入光功率,观察上位机APD偏流值显示并记录数据如表2所示。可得,当输入光强发生改变时上位机显示偏流值实时改变,且随光强增加偏流值逐渐增加。

表2 偏流检测测试结果Tab.2 Bias current test results

5 结 论

通过选用高精度DAC、高稳定性电源及高压运放的偏压控制系统设计,最高输出电压可达75 V,电压控制精度小于30 mV,输出纹波经过滤波后小于100 mV,上位机下发控制电压与实际测试电压具有良好的一致性,满足测试APD对偏压的要求。同时,利用电流检测器件、恒流源补偿、高压运放组成的偏流检测电路可监测对应的偏流值,并通过上位机界面进行实时的显示,反应SPAD的工作电流。实践证明,设计电路工作性能理想,上位机界面用户交互友好,操作简洁方便,提高了系统控制精度,满足使用要求,已经应用于近红外1550 nm SPAD标定系统中,工作稳定可靠。