單光子激光測距淬滅電路設計優化

陳雨 羊毅 郝培育 李尊

摘要：隨著對激光測距測程要求的提高，以量子探測和概率統計理論為基礎的單光子激光測距技術逐漸成為發展的新方向，單光子測距靈敏度高、測程遠，探測器常用蓋革模式下的雪崩光電二極管。蓋革模式下，探測器一旦響應，電流成倍增大，需要加上淬滅電路。目前主動淬滅方式較為常用，但是噪聲較大，電路設計復雜。優化設計了GHz的門控淬滅方式，將高頻正弦信號加載在探測器兩端，在正弦信號正半周期探測器處于蓋革模式，負半周期淬滅探測器，同時門控信號的存在降低了電路的噪聲。把主動淬滅電路和門控淬滅電路進行了研究與仿真，結果表明，正弦門控電路死時間短，噪聲低，探測效率高，性能較優。設計了正弦門控電路。

關鍵詞：單光子;主動淬滅電路;正弦門控淬滅電路，測距;激光

中圖分類號：TN958.98 文獻標識碼：A

單光子測距測程遠，能對微弱光信號產生很好的響應。蓋革模式雪崩光電二極管（Geiger Mode of AvalanchePhotodiodes，GM-APD）的工作電壓高于雪崩擊穿電壓，對入射光子高量子效率轉換和極高雪崩內增益放大，響應信號（或噪聲）后，為了保證正常工作，必須采用淬滅電路將APD的工作偏壓降低到雪崩擊穿電壓以下，來清除所有的自由載流子，再將APD的工作偏壓提高到雪崩擊穿電壓以上，為探測下一個光子做好準備。

20世紀60年代，Haitz等在GM-APD雪崩擊穿工作原理的研究過程中提出了被動淬滅電路[1，2]，并提出了一個GM-APD電學模型。1975年，意大利米蘭理工大學Cova采用Haitz提出的結構，針對GM-APD被動式淬滅死時間長的缺點，提出了主動淬滅電路[3]。1981年，Cova證明了GM-APD皮秒級（ps）的分辨率及其應用在光學時間技術相關領域的潛力，提出門控式結合主動式的淬滅電路，縮短了 GM-APD死時間[4]。

2006年，日本大學的Namekata等首次提出了正弦門控濾波探測技術，該方案將正弦波門控信號的頻率提高到了800MHz[5]，2009年他們又實現了正弦波門控信號的頻率1.5GHz的單光子探測器[6]。現有的門控技術主要應用于量子通信領域[7，8]，GM-APD陣列傳感檢測已進入實用水平[9]。

目前，單光子激光測距常用主動淬滅電路，但是對于非合作目標主動淬滅電路死時間長且噪聲較大，影響了探測效率的提高。本文首先分析了APD器件的等效電路模型，然后分析了主動淬滅模式電路、門控淬滅模式電路的工作原理并仿真，進行GHz門控淬滅模式電路的優化設計，門模式減小了噪聲，短死時間提高了對非合作目標的測距能力。

1 基本概念

1.1 雪崩光電二極管（APD）

APD[10]是一種基于光電導效應和雪崩倍增效應的新型光電探測器件，與其他傳統的光電傳感器相比，具有較高的增益、較快的響應速度、較高的靈敏度、較小的體積、較輕的重量（質量）、方便使用等優點。APD探測器的工作模式與所加反向偏置電壓的關系如圖1所示。

如果APD所加反向偏壓繼續增大，當所加偏壓超過APD的臨界雪崩電壓V_br時，反向偏壓會在PN結耗盡區（高場區）內形成很強的電場，使得載流子的數量雪崩式倍增，稱為“雪崩效應”，最終達到一個動態平衡，這種工作模式就是蓋革模式。APD的增益系數M與反向偏置電壓V的關系為：式中：V_B為雪崩電壓;n與PN結低摻雜區是N型或P型及入射信號光波長有關。當V接近于V_B時，M將趨近于無窮大，有利于提取單光子信號。

線性模式下，APD的增益不足以將單光子信號提取出來，因此，需要工作在蓋革模式。蓋革模式下，即弱光信號下，GM-APD輸出離散的0.1信號，即數字信號。線性模式，即強光信號下，和蓋革模式下的輸出信號示意圖如圖2所示。

1.2 探測效率的優化建模

光子探測效率（Photon Detection Efficiency，PDE）為入射光子成功觸發一次雪崩并被探測到的平均概率。

根據統計光學理論，在光子計數激光測距中，單光子探測器產生的光電子服從負二項分布。當入射的平均光電子數很小時，負二項分布進一步退化為泊松分布[11]。

在時間間隔探測到K次光電事件（K個光子）的概率P為：

根據復雜環境下單光子測距時刻變化的大氣傳輸特性、目標特性等特點，背景噪聲對探測影響很大。把背景噪聲對單光子探測的影響融入單光子探測模型中，建立GM-API）的探測模型，在一定的工作溫度和過偏壓下，噪聲包括背景光噪聲f_n和探測器暗計數f_d、淬滅電路引入門效率u_p和死時間t_d。n_n表示某一次探測時入射的光子數，探測器在探測到第一個光子信號后，需要死時間t_d來恢復工作狀態，圖3是探測模型圖。

蓋革模式雪崩光電二極管的死時間受探測器響應和淬滅電路限制。探測器在探測到第一個光子信號后，需要一段時間來恢復工作狀態，第一次探測到的光子信號會對后續信號的探測產生抑制作用，光子信號的探測概率會出現一定程度的衰減。考慮門控u_p單位時間只通過門內的信號，探測概率加上死時間、探測器噪聲、門效率的衰減系數修正為[12]：

1.3 淬滅電路

淬滅電路設計的優劣，對于單光子探測器的探測效率和精準度起著關鍵作用[13]。完成一次淬滅需要三個步驟：（1）感應雪崩信號的同時輸出TTL脈沖電平信號;（2）脈沖信號控制APD兩端的偏置電壓，使其低于雪崩擊穿電壓，淬滅雪崩;（3）重新恢復偏置電壓，為下一個光子的到來做好準備。常見的淬滅方式有三種：被動淬滅、主動淬滅和門控淬滅。

1.3.1 APD等效電路模型

根據Core提出的模型，對APD建立等效電路模型，如圖4所示。

APD等效電路模型為一個光控開關與電壓源的串聯，光控開關模擬有無光子入射，有光子入射開關閉合，電壓源為APD雪崩電壓值，R_d為APD等效內阻，Ca為APD的結電容，C_p為分布電容，它的值一般為皮法量級。

1.3.2 主動淬滅

主動淬滅的工作原理如圖5所示。

探測器感應到光子之前，K₁、K₂都處于關斷狀態，探測器兩端偏壓處于雪崩狀態。當探測器感應到光子之后，產生光電流，經過I-V轉換和放大，整形之后，控制K₁閉合，則加載在探測器兩端的偏壓降低，實現了雪崩的淬滅，K₁重新打開;經過一段時間的延遲之后，控制K₂閉合，探測器兩端電壓重新恢復至雪崩偏壓，為下一個光子的到來做好準備。主動淬滅利用了反饋的優勢，當探測器檢測到雪崩信號后立刻反饋到APD的驅動電壓上。

1.3.3 門控淬滅

很多時間相關性測量及暗計數率較高的GM-APD需要工作在“門控模式”下，即工作在門控脈沖的控制下，探測器僅在門控脈沖到來時保持活躍。這就要求探測器的工作偏壓在門控脈沖有效期間處于雪崩電壓閾值以上而門控關閉后工作偏壓迅速降低到閾值以下[14，15]。當光子入射門控關閉時，電路沒有有效輸出。采用門控模式可以有效降低暗計數，而且可以降低探測器功耗、延長探測器壽命，有效抑制后脈沖。

由于APD結電容的存在，門脈沖在通過APD時，會在門脈沖的上升沿產生一個正向的充電脈沖，而在門脈沖的下降沿產生一個負向的放電脈沖，并且這兩個充放電脈沖的幅值很大，稱為尖峰噪聲，這就給雪崩信號的提取帶來了很大的困難。常用以下方法：

（1）差分電路法

將電壓平分為兩路分別加在APD和結電容的兩端，產生相同的尖峰噪聲，將輸出信號做差分運算，消除噪聲。

（2）同軸電纜反射法

用兩根完全相同的電纜將信號延時后再差分。

（3）雙APD平衡法

采用兩個相同型號的APD搭建探測電路，在輸出做差分運算。改進方法將其中一個APD改成可調電容，稱為可調電容平衡法。

（4）負脈沖檢測法

通過檢測APD輸出信號負脈沖的有無知道雪崩是否發生。

（5）正弦波脈沖法

用正弦波作為門電壓，將輸出信號通過帶阻濾波器來抑制尖峰噪聲，如圖6所示。

使用正弦門控淬滅電路，只有門內的信號可以有效探測，存在門效率的問題，計算正弦門的門效率，計算原理如圖7所示，V_bias為正弦波所處的基準電壓，V_pp為正弦信號峰峰值。t₁和t₂為正弦信號到達雪崩電壓V_b的時間，t₂-t₁即為門有效的時間。

門效率表達式為：

2 設計實例

將主動淬滅電路和正弦門控淬滅電路進行對比。

2.1 主動淬滅

用Capture的Pspice仿真，仿真電路圖及仿真波形圖如圖8和圖9所示。

電路原理圖將電壓加載在APD等效模型上，首先通過放大器將信號放大，再通過比較器對信號進行提取，一路信號通過三極管反饋至GM-APD兩端，降低雪崩電壓，淬滅信號;一路信號通過三極管反饋至GM-APD兩端，提高雪崩電壓，使電路恢復。

可以看出，GM-APD兩端電壓隨著入射光脈沖的周期在線性與蓋革模式下切換，輸出信號是清晰的脈沖，沒有疊加的噪聲信號，信號好提取。從電壓的恢復信號可以看出，淬滅時間大約在20ns左右，表現出很好的性能。

仿真恢復時間在20ns左右，門控效率為1，代入式（3）中，可以得到較高的探測效率，證明這個電路還是表現了很好的性能。

2.2 門控淬滅

Capture的Pspice仿真電路原理圖及仿真波形圖如圖10和圖11所示。輸入信號參數門信號為正弦信號，幅度為1.2V，頻率為0.01GHz。

可以看出，GM-APD兩端電壓變化隨著正弦門控的變化而變化，輸出信號疊加了正弦波形，需要在后續通過濾波器進行濾除。

幅度不變，設置正弦信號頻率為1GHz，對于輸入的帶有高頻正弦信號的波形進行濾波，得到濾波后的雪崩信號，如所圖12所示。

建立的正弦門控淬滅仿真模型可以從高頻正弦波中提取頻率較低雪崩信號，死時間較短，可以滿足達到準連續探測的需要，死時間15ns。表1是門控淬滅與主動淬滅的對比。

3 測試

在實際電路板上測試，在暗室環境下，APD接收到光子，經過正弦門控淬滅后，濾波整形輸出，測得電路死時間為17ns。

4 結論

探測器淬滅電路的設計對于提高單光子電路探測能力非常重要。通過對主動淬滅死時間長、噪聲大、不利于后續信號的提取問題的分析，對比了目前淬滅電路的發展現狀，最終選取了高頻正弦門控淬滅電路，減小了死時間和噪聲的問題。

但是目前國內對于單光子探測技術的研究還不夠深刻，距離國外先進技術有一定的差距，需要對門控淬滅方式進一步研究，優良的門控淬滅電路可以進一步減小死時間，提高探測效率，同時對于探測器件結構、外圍控制電路、探測的優化還有廣泛的探索空間。

參考文獻

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