1 引 言

單光子探測是一種檢測極微弱光的方法，在近紅外波段，雪崩光電二極管(APD)是探測極微弱光的主要器件之一。APD是一種能實現光電轉換且具有內部增益的高靈敏度光電探測器，其工作電壓不高，噪聲相對較小，非常適合極微弱光信號(如單個光子信號)的探測。

由于單光子探測是在高技術領域的重要地位，他已經成為各發達國家光電子學重點研究的課題之一。在量子密鑰分發、天文測光、分子生物學、超高分辨率光譜學、非線形光學、光時域反射等現代科學技術領域中，都涉及到極微弱光信號的檢測問題。在量子密鑰分發系統中，量子信息的載體是單光子，如何將攜帶信息的單光子探測出來是實現量子密鑰分發的關鍵。APD是實現單光子探測的核心器件。在單光子探測器設計中，為了開發APD的極限靈敏度，APD必須置于反向偏壓(Vb)稍高于雪崩擊穿電壓(Vbr)之上，即所謂的蓋格(Gerger Mode)模式下工作，使APD的雪崩增益M取最佳值MOPT，才能達到較高的探測效率。然而在蓋格模式時，APD的雪崩增益M不僅與環境溫度T還與其直流偏壓Vb的大小密切相關。

2 蓋格模式下APD雪崩特性

雪崩光電二極管的雪崩增益M的大小與電子或空穴的有關，其雪崩過程是一個復雜的隨機過程，通常用平均雪崩增益M來表示。M與擊穿電壓Vbr、偏置電壓Vb的關系可用以下經驗公式來描述：

其中n是與溫度有關的特性指數(在2.5～7之間變化，取決于光電材料)。從公式可以看出，APD可以工作在兩種方式下：一是偏置電壓小于擊穿電壓，然而在這種情況下雪崩增益過小，不足以捕捉到單個光子信號。二是偏置電壓稍高于擊穿電壓，理論上雪崩增益為無窮大，一個注入耗盡層載流子就能觸發APD雪崩，產生mA量級的電流，使單光子探測成為可能。由此可見，APD的雪崩增益M僅與其反向偏壓Vb大小密切相關。因此，為了獲得最佳的雪崩增益MOPT，APD的偏壓控制電路設計顯得尤為重要。

當APD的反向偏置電壓高于雪崩擊穿電壓時，偏壓的任何微小抖動都能改變APDs結區場強的大小，不但能影響到APD的雪崩增益M還會為探測器帶來了非光子脈沖噪聲，如散粒噪聲、附加噪聲等。因此，用作單光子探測器的APD偏壓源必須滿足下列條件：第一，電壓要足夠高，能夠達到APD的雪崩擊穿電壓以上；第二，能夠提供足夠的電流，滿足APD雪崩時電流迅速增大的要求；第三，要有足夠小的紋波，盡量減小由于電源電壓抖動帶來的噪聲。這就意味著APD的反向偏置電壓的電壓穩定性足夠的高。

3 連續可調APD直流偏壓源

由線性元件構成的線性電源電路中，電壓調整管要工作在放大狀態，發熱量大，效率低，需要加體積龐大的散熱片，此外，同樣也是大體積的工頻變壓器也會帶來工頻干擾，單光子探測器核心器件APD若沒做好足夠的電磁屏蔽，也會為探測帶來額外的誤差。在較高直流電壓輸出時，要作到高穩定度和低紋波輸出，在電路設計上較復雜。

MAX5026是MAXIM公司生產的固定頻率、脈沖寬度可調的低噪聲升壓轉換器，是一個專門為APD，LCD，低噪聲變容二極管等提供直流偏置電源的表帖元件。其內部的橫向DMOS開關器件頻率固定為500 kHz，且具有40 V的耐壓極限。工作時使用一個工作于非連續電流模式的電感L，故意減慢開關速度，用來降低高頻電壓毛刺。開關速度的降低還能減小高頻di/dt和dv/dt速率，最大限度地減小了通過電流環、印刷電路板線條和元件管腳問的電容向周圍電路輻射或傳導進來的噪聲，近一步減小可能帶來的噪聲。

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圖1所示APD偏壓源電路是由PWM升壓型DC-DC轉換器MAX506和鐵氧體磁心電感線圈L組成，電容G3，G4和二極管D3，D4構成的倍壓電路，使MAX5026輸出電壓可到71 V。在穩態時倍壓電路的工作過程如下：芯片內部DMOS導通，電容C3將電荷轉移給C4，同時電感L被充電；隨著內部DMOS關斷，在電感中建立起的電流使D1和D3正向導通，加到電容C5上的總電壓為Vc3和Vc4之和。使用MAX5026作為APD直流偏壓源有以下特點：

(1) MAX5026內部較慢FET上升和下降時間降低時間降低了di/dt和dv/dt噪聲耦合；

(2) 非連續電流模式的電感使二極管D1自然換流，本質上消除了二極管的反相恢復帶來的高頻di/dt噪聲；