APD 单光子探测器的抑制技术

冯小溪 张栎存 康小麓

为实现高光子测量效率，快速控制雪崩淬灭，缩短死区时间，并对光子脉冲进行准确计数，在分析光电二极管雪崩增益特性及工作原理的前提下，设计出高效雪崩二极管探测器。针对雪崩淬灭和电压恢复抑制方式不同，对雪崩抑制电路的被动和主动模式进行分析与仿真。测试结果表明：全被动模式虽然电路模型简单，容易实现，但是死区时间过长，光子数目测量率较低；而主动工作模式可以实现高效计数，极大限度地缩短死区时间，克服偏压恢复时间较长的缺陷。本文利用高速放大器的高速特性，设计出精密快速的抑制电路，用以控制探测器的雪崩淬灭和电压恢复，实施了主动淬灭与快恢复相结合的抑制电路。

引言

本文研究一种新式光电探测技术-----单光子探测技术，它能够利用光电效应，检测单个光子并进行计数。单个光子入射到光电倍增器件上会产生光电子，光电子通过倍增系统产生电脉冲，称其为单光子脉冲。计数电路根据脉冲幅度大小对其进行计数，其中单光电子峰的脉冲幅度较大，探测器噪声（主要是热噪声）为幅度较小的脉冲；随着单光子技术的不断发展，目前已在量子信息技术、高能物理、生物发光、放射探测、大气测污、天文测光等领域有着广泛的应用，前景颇好。

近年来，致力于寻求能够获得较好结果的设计探测器的器件，以雪崩光电二极管（APD）作为核心器件由于具有量子效率高、功耗低、体积小等优点被广泛应用。而APD 通常所加反向电压高于其雪崩电压，也就是常说的工作在盖革模式下。为解决雪崩不能自然停止问题，不仅需采取措施快速抑制雪崩，并在抑制过程结束后，应使其快速恢复至等待状态，从而准备对下一个光子进行探测。

本文首先分析了APD 器件的等效电路模型，用于对后面电路进行仿真，第2 部分分析了雪崩抑制电路被动模式的工作原理，并对其进行仿真，对仿真结果进行分析。第3 部分分析了雪崩抑制电路主动模式的工作原理以及详细介绍设计原理，并对其进行仿真，分析设计出的高效控制雪崩淬灭与电压恢复的电路结果；第4 部分进行总结，并对该领域展望未来。

APD 等效电路模型

如图1 所示，APD 的等效电路模型为一个光控开关K 与电压源Vb 的串联构成，光控开关K 模拟有无光子入射，有光子入射时开关闭合。电压源 bV 为APD 的雪崩电压值。dR 为APD 等效内阻，Cd为APD 的结电容，Cp为分布电容，它的值一般为皮法量级。

被动淬灭模式

被动淬灭模式也可称之为无源抑制方式，如图2 所示，由限流大电阻与取样电阻串联而成，雪崩信号从取出。

在单光子探测器工作过程中，当无光子到达时，探测器处于等待状态，APD 两端电压Va 略高于雪崩电压，此时开关S 断开。当有光子入射时，雪崩发生，开关K闭合，由于限流大电阻分压，APD 两端的电压开始下降，当下降到雪崩电压Vb 时，雪崩抑制。抑制完成后，APD中的结电容通过两个电阻进行充电，使APD 的电压再次回升到Va，此时探测器又一次回到了等待状态。

图1 APD 器件及其等效电路模型

图2 被动淬灭模式电路图

图3 被动淬灭模式仿真电路图

图4 被动淬灭仿真波形

通过PSPice 仿真软件对被动淬灭模式进行仿真，其电路图如图3 所示，电路相关参数取值如下：Vb=170V，Rd=10k，Cd=2pF，Cp=9pF，Va=176V，R1=300kΩ，Rs=1k。

由基本电路知识可知，发生雪崩时间为：

发生淬灭后APD 两端电压恢复时间为：

由于R1 起到限流作用，只有取较大阻值才能保证安全淬灭雪崩，即

图5 主动淬灭工作原理

图6 主动淬灭电路原理图

因此电压恢复充电时间常数（t2）较大（如图4 所示），这也就造成了被动模式下电压恢复时间较长的这一缺点。为防止下一光子到达时，电压还没有完全恢复这一现象发生，我们考虑选择主动模式。

主动淬灭模式

主动淬灭模式如图5 所示，分析发现主动模式相当于在被动模式后加上两个模块，即反馈淬灭环路以及偏压恢复延时模块。

具体工作原理如下：探测器探测到光子入射，经放大器将信号放大后，通过比较器输出脉冲控制开关K1 作用，使APD 两端电压快速下降至Va-VQ，通过调节VQ，Va-VQ 低于APD 的雪崩电压，使也就是实现了所谓的主动淬灭，淬灭完成后经短暂延时，K2 闭合，形成APD极小的负载，主动快速的恢复电压。

结合以上过程分析，放大器模块采用AD8001 芯片，比较器模块采用AD8611 高速比较器，用以控制探测器的雪崩淬灭和电压恢复，实施了主动淬灭与快恢复相结合的抑制电路。图6 为主动淬灭电路原理图。

图7 参考电压调节模块

图8 APD 两端电压

当光子入射，发生雪崩，产生雪崩信号，经过AD8001 比较器将雪崩信号进行放大，滤波后通过比较器产生控制信号（比较器的参考电压Vref 可通过单片机D/A 功能根据实际情况进行设置），控制开关管Q1，使得APD 两端电压快速降到雪崩电压以下，即Va-VQ＜Vb，从而加速彻底淬灭雪崩。调节VQ，选取适当大小，使用LM1117 芯片可调节VQ 大小，其调节范围为3.3V-5.4V，如图7 所示；在主动淬灭与快恢复完成后，APD 重新回到等待光子到来的状态。

设计电路时需要注意经过限流大电阻的取值要合适，如果过大将会使偏压回复时间延长，如果过小将会使器件的功耗过大或不能及时抑制雪崩，而取样电阻的选择也要考虑信号强度与后级放大电路输入阻抗参数。

通过PSPice 仿真软件对主动淬灭模式进行仿真，如图8 所示。

其中a 点为有光子进入的时刻，b 点为R4 上方产生的电压等于V4 的时刻，c 点为延迟后开始快速恢复电压的时刻。

分析结果：比较图8 与图4（被动模式下APD 两端电压），可明显看出设计出来的方案能够实现快速控制雪崩淬灭，缩短死区时间，减少恢复电压的时间。

结束语

本项目利用高速放大器的高速特性，以及高速非门的逻辑电路用于延时，设计出精密快速的抑制电路，用以控制探测器的雪崩淬灭和电压恢复，实施了主动淬灭与快恢复相结合的抑制电路，使探测器可以在更加安全高效的模式下工作。在设计过程中有许多需要考虑的问题，取值的合适，器件的选择等都会影响实验结果。

单光子探测技术近年来有着广泛的应用，备受人们关注，其主要优点如下：系统增益变化、光电探测器的漂移以及其它不稳定因素对测量结果的影响不大；大部分热噪声的影响被消除，对测量结果的信噪比也有着明显的提高；同时由于可以输出数字信号，可与计算机接口连接，从而进行数字数据处理。因此，对于单光子探测技术的研究尤为重要，以APD 作为核心器件设计测探器能获得较好结果，这种APD 单光子探测器主动抑制技术有不错的前景。

虽然单光子探测技术已取得较大成就，但随着科技日益进步，人们对高科技的需求也不断增加，显然，目前对单光子探测技术的研究还是不够深刻。因此，本文呼吁对探测器件结构应进行更深刻研究，同时，也应该不断改进外围控制电路，以改善探测技术，使其更好地发展，运用到更加广阔的领域中。