高精度雪崩光電二極管偏置電源

魏正軍,王金東

(華南師范大學(xué)光子信息技術(shù)廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510006)

0 引 言

量子保密通信系統(tǒng)為遠(yuǎn)程用戶提供了一種絕對(duì)安全的密鑰分發(fā)方案[1],獲得了國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的廣泛關(guān)注與研究。隨著量子保密通信技術(shù)的興起,圍繞工作于通信波段的紅外單光子探測(cè)器的研究工作更加活躍起來(lái)。目前,單光子的檢測(cè)是采用基于InGaAs APD的單光子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)的,其原理是:使APD工作于雪崩擊穿電壓之上,這時(shí)APD的倍增因子趨近于無(wú)窮大,一個(gè)光生載流子將觸發(fā)一個(gè)巨觀的雪崩脈沖,供后級(jí)電路進(jìn)行單光子判讀。為了降低暗計(jì)數(shù)率和后脈沖率,APD都工作在門(mén)控模式下[2]:APD被直流電源偏置在雪崩擊穿電壓之下,當(dāng)光子到達(dá)時(shí),門(mén)控電源輸出一個(gè)門(mén)控脈沖。門(mén)控脈沖與直流偏置電壓疊加,使得光子到達(dá)瞬間APD上的工作電壓大于雪崩擊穿電壓,從而實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)。因?yàn)锳PD的倍增因子隨偏置電壓的增大而急劇增大,在雪崩擊穿電壓之上,偏置電壓的微小變化,都會(huì)導(dǎo)致APD輸出特性的極大變化。因此對(duì)偏置電源的溫度系數(shù)和紋波電壓大小都提出了很高的要求,目前的APD偏置電源都是為工作在線性區(qū)的APD設(shè)計(jì)的,在紋波電壓、溫度穩(wěn)定性方面難以滿足工作在蓋革模式的APD的要求。本文提出了一種使用開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生高電壓,采用線性穩(wěn)壓電源獲得高穩(wěn)定度,低紋波值的APD偏置電源方案。

1 用于單光子探測(cè)的APD對(duì)偏置電源的要求

目前使用的APD在偏置電壓變化0.1 V時(shí),探測(cè)效率變化超過(guò)26.3%,暗計(jì)數(shù)率變化超過(guò)79.7%。如果要求探測(cè)效率的變化小于5%,那么偏置電壓的變化應(yīng)小于19 mV。以偏置電壓為45 V計(jì),電源輸出電壓的變化必須小于0.0422%。以常用的APD偏置電源產(chǎn)生芯片美信公司的max5026為例,它的溫度系數(shù)約為36 mV/℃,紋波電壓大小為100 mV,難以滿足工作在蓋革模式下的APD的需求。而線性穩(wěn)壓電源可以提供較低的紋波電壓,采用深度反饋電路配合高精度的電壓基準(zhǔn),可以實(shí)現(xiàn)非常高的輸出電壓穩(wěn)定性。但是,線性穩(wěn)壓電源無(wú)法進(jìn)行升壓變換。

2 用于單光子探測(cè)的APD的偏置電源方案

提出了采用 max5026把5 V的電源電壓升壓到71 V,再通過(guò)線性穩(wěn)壓電源濾除開(kāi)關(guān)電源的紋波,同時(shí)把輸出電壓穩(wěn)定在45 V的高精度低紋波APD偏置電源方案。其中,開(kāi)關(guān)電源部分的電路如圖1所示,采用美信公司的低噪聲、固定頻率PWM芯片max5026[3]。

max5026的開(kāi)關(guān)頻率為500 kHz,其內(nèi)部的橫向DMOS開(kāi)關(guān)器件具有40 V的極限耐壓,這還達(dá)不到In GaAsAPD的40～65 V的工作電壓范圍。因此在外部加上由C3、C4、D2和D3構(gòu)成的倍壓網(wǎng)絡(luò),使開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓可高達(dá)71 V。

圖1 開(kāi)關(guān)電源部分的原理圖

線性穩(wěn)壓電源部分的電路如圖2所示,采用一個(gè)德州儀器公司的精密電壓基準(zhǔn)源REF5040提供穩(wěn)定的參考源,它的溫度系數(shù)小于3 ppm/℃。誤差放大器采用三極點(diǎn),雙零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu),能夠很好地抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的紋波電壓,同時(shí)獲得足夠高的反饋深度,穩(wěn)定偏置電源的輸出電壓。利用AD8571開(kāi)環(huán)增益145dB的優(yōu)勢(shì)形成一個(gè)深度負(fù)反饋的環(huán)路,這樣電源的溫度穩(wěn)定性就主要受分壓取樣電阻的溫度系數(shù)影響了。采用高品質(zhì)的電位器等效成兩個(gè)電阻來(lái)取樣輸出電壓,因?yàn)槭峭粋€(gè)電阻膜,所以兩個(gè)等效的電阻溫度系數(shù)的一致性很好,其溫度漂移相互抵消,獲得了較好的穩(wěn)定性。

圖2 線性電源部分的原理圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖3 偏置電源的輸出紋波電壓

采用開(kāi)關(guān)電源與線性穩(wěn)壓電源結(jié)合的方案,對(duì)電路的輸出電壓進(jìn)行了為期一周的測(cè)量,溫度變化范圍為6～19℃,在輸出電壓為45 V時(shí),測(cè)量結(jié)果為:溫度系數(shù)為1.1 mV/℃,紋波電壓為100 μ V,如圖3所示。這樣在室溫為10℃到25℃之間變化時(shí),輸出電壓的變化為16.5 mV,滿足用于單光子探測(cè)的APD對(duì)偏置電源的要求。

[1]Bennett C H,Brassard G.Quantum Cryptography:Public Key Distribution and Coin Tossing[J].Proceedings of the IEEE,1984:175.

[2]Kang Y,Bethune D S,Risk W P,Lo Y H,APDs for single-photon detection at telecom wavelength[J].Optics Letters,2002,27(11):954-956.

[3]http://china.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/3138.