1、APD制冷方案设计
APD需要较低的温度来保证探测效率和抑制暗电流，暗电流主要是由APD内部热噪声、隧道贯穿和掺杂缺陷处的势阱引起的，暗电流会导致误计数，所以在探测器内部必须对APD进行制冷处理。在相同的响应率时，温度越低，所需偏置电压越小，暗电流和后脉冲也会减少。考虑系统的便携性及温度精度可调，采用Pelti-er半导体制冷片和热敏电阻来实现对APD的精确制冷。选用MAXIM公司的MAX1969作为半导体制冷片的驱动芯片，该芯片是具备高效率和高集成度的开关型驱动器，适用于Peltier热电制冷模块。使用ST公司STM8L单片机对热敏电阻的采样电压进行数字化处理，与设定温度进行比较和PID处理后，将控制信号输出到MAX1969。制冷模块框图如图2所示，经试验最低制冷温度达到－60℃，控温精度±0．1℃并能保持恒温。
2、直流偏置电压源
工作在盖革模式下的APD对偏置电压要求非常高，电压的微小变动会引起倍增因子的剧烈波动，并最终影响探测器的计数效率。APD对偏置电压源的要求是:噪声低、电流大、电压纹波稳定且足够小，设计的偏置电压源电路图3所示。采用LM2577芯片作为电源的可调升压转换器，该芯片内部噪声低、频率固定，具有过流、低压、温度保护功能。电源稳压器采用凌力尔特公司的高温线性稳压器件LT3012，低压差仅为360mV。设计的直流偏置电源1．24～80V连续可调，调节精度0．01V，电流达到500mA，纹波系数小于0．05%。
3、APD淬灭－重置电路
工作在盖革模式下的APD探测到入射光子后会发生雪崩效应，内部电流不断持续增大，必须降低偏置电压使其迅速淬灭，否则会击穿APD。淬灭发生后，将偏置电压迅速重置至盖革模式，以便响应下一个入射光子。淬灭－重置驱动信号可以由外部逻辑电路产生，但逻辑电路产生的门控频率较低。短门控方式可以产生高速门控信号，但需要外部的高频信号发生器、同轴线和微波器件，体积庞大，不易调试。本文利用FPGA产生的高频窄门控信号做为APD的淬灭－重置驱动电路，调试简单，小巧灵活。采用Xilinx公司Virtex6型号的FPGA产生200MHz的窄脉冲，通过电容耦合到APD的阴极，作为APD的驱动电路，如图4所示。
4、雪崩信号提取电路
雪崩现象发生后，雪崩电流通过采样电阻提取后，电压信号仍然十分微弱，必须经过高速放大器进行10倍的放大后，才能送入高速比较器比较鉴别出雪崩信号。由于APD本身的容性效应，在探测的同时会产生一个幅值远大于雪崩信号的尖峰噪声，所以需要采用边沿锁存的方式来提取有效信号送入FPGA进行计数。基于FPGA的驱动电路和信号提取电路如图4所示。
5、实验结果及分析
对本文设计的单光子探测器的探测性能进行了测试，温度稳定控制在－55℃，测试光源为中心波长为1550nm的弱相干激光器，经可变衰减器衰减至平均每脉冲0．1个光子的单光子级别，激光重复频率10MHz，200MHz门控信号和激光器由PPGA同步触发，门控宽度500ps。
6、结语
设计了基于InGaAs/InPAPD的1550nm的单光子探测器，给出了探测器各个模块的具体设计方案，经试验可知，设计的探测器在－55℃时，1550nm近红外波段的单光子探测效率最大可达到16%，在探测效率为12%，暗计数率只有8．2×10－6/ns。这种小型化易调节的单光子探测器可以应用在光子计数激光测距和量子通信等领域。
作者：高家利 汪科 盘红霞 单位：重庆理工大学工程训练与经管实验中心
