张惠鹰;许金通;李向阳
【摘 要】紫外光通信作为新型通信方式,在短距离通信领域具有潜在的应用前景.紫外光通信的探测电路可分为线性模式和盖革模式,盖革模式探测电路在系统带宽和探测灵敏度等方面具有显著优点.本文研究了基于盖革模式雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)的单光子探测电路,实现对微弱紫外光信号的探测.采用主动淬灭快恢复电路,通过淬灭信号和恢复信号控制APD阳极电位,从而减小死时间,提高系统的计数上限.实验发现,对于主动淬灭电路而言,当死时间过小时,淬灭时间和恢复时间除了受到淬灭信号和恢复信号控制外,还会受到电路中电容充放电时间的影响.本文从理论和实验两方面研究了电路中电容和电阻对死时间的影响,为进一步缩短死时间提供了理论指导. 【期刊名称】《红外技术》
【年(卷),期】2019(041)005
【总页数】5页(P418-422)
【关键词】APD;主动淬灭;盖革模式;光子探测;死时间
【作 者】张惠鹰;许金通;李向阳
【作者单位】中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室,上海 200083;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室,上海 200083;中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室,上海 200083;中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室,上海 200083;中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室,上海 200083
【正文语种】中 文
【中图分类】TN219
紫外光通信作为一种保密性高，抗干扰能力强，适用于电磁静默环境的短距离通信方式，在很早之前就受到了世界各国军方的重视。在早期的紫外通信系统中，使用的光源和探测器主要是汞灯和光电倍增管（Photomultiplier tube，PMT），具有体积大，易破碎，效率低等缺点。随着半导体技术的进步，紫外LED和紫外APD得到了快速的发展，这为实现紫
外通信系统的小型化和便携式带来了希望。针对紫外光通信，国内外都开展了广泛的研究[1-2]。1968年，D. E. Sunstein采用大功率氙灯作为紫外光源，光电倍增管作为探测器，搭建了第一个紫外光通信实验平台。2000年，Gary A. Shaw小组首次使用UV LED搭建了实验平台，并在随后的几年内进行了一系列的实验和理论研究。2006年，该小组利用紫外LED阵列和PTM探测器，在11m范围内实现了2.4kbit/s的通信速率。2015年，M. El-Shimy等人基于单散射模型研究了多个探测器的通信性能。目前，国内的研究仍处于样机搭建以及可行性验证阶段，主要研究单位包括北京理工大学、中国科学院以及重庆大学等研究机构。2012年，上海技术物理研究所王荣阳以LED为光源，硅基紫外APD为探测器，成功搭建了语音通信平台[3]。
紫外光通信是利用紫外光作为载体，将信息调制后加载到紫外光上，然后以大气作为信道来传递信息，从而实现光通信。然而，大气分子对紫外光的吸收和散射作用，使得紫外光功率迅速衰减，这极大限制了紫外光通信的距离。为了实现较远距离的通信，探测电路必须能够检测到极微弱的光信号，而传统的线性模式APD探测电路难以满足该要求。同时，线性模式APD探测电路的带宽较小，难以满足高速率通信的要求。因此，本文设计了基于盖革模式APD的紫外单光子探测电路，研究了主动淬灭电路的死时间限制因素，为下一步
实现紫外光通信奠定了基础。
主动淬灭电路是通过外部反馈回路直接控制APD两端偏压，从而控制探测电路的淬灭时间和恢复时间，减小系统的后脉冲计数和死时间[4-6]。根据主动淬灭电路的基本原理，进行硬件方面的相关设计，图1为主动淬灭电路的基本结构，主要包括以下几个模块：被动淬灭模块、信号放大模块、脉冲甄别整形模块以及淬灭恢复模块。当有雪崩发生时，取样电阻上出现雪崩电压信号，信号首先经过放大模块，然后送入到脉冲甄别模块中。当脉冲高于设定的阈值时，则判定为有效光子数，输出TTL电平脉冲。然后通过触发器产生两路脉宽可调的脉冲控制APD两端偏压，一路脉冲将APD阳极电位拉高，完成对雪崩效应的淬灭；另一路脉冲将APD阳极电位恢复到“地”电位，使得探测器进入下一周期的探测等待状态。
信号放大模块是采用运放芯片构成放大电路，从而实现信号的放大。为了不失真地放大信号，需重点考虑运放的增益带宽积、噪声密度和失调电压。为了使运放电路不对前级的被动淬灭模块产生影响，这里采用同相放大电路。
淬灭恢复模块由触发器和开关芯片组成，触发器产生两路脉冲——淬灭信号Q和恢复信号R控制开关芯片的导通闭合，进而控制APD阳极电位的高低，从而决定探测电路的淬灭时间
和恢复时间。本文所使用的触发器为TI公司生产的SN74LV123，通过选择合适电容和电阻可以控制输出脉冲的宽度，脉冲宽度直接决定了系统的淬灭时间和恢复时间。开关芯片采用CD4066，具有40MHz的带宽，其导通电阻实测约为300W，当控制端输入一个高电平时，开关导通。
软件部分主要是采用Verilog HDL对Altera公司生产的FPGA芯片进行配置，使其对主动淬灭电路输出的脉冲数进行统计，并将数据传送到上位机中。程序框图如图2所示，主要包括计数模块、定时模块以及串口发送模块。计数模块对接收到的脉冲上升沿敏感，每检测到一次上升沿，计数值加一。定时模块利用芯片系统时钟进行计时，每秒输出一个脉冲，并将计数值清零。串口发送模块在检测到定时模块输出脉冲后，将计数模块中的计数值通过串口发送至上位机，完成计数过程。
死时间是光子计数系统的重要指标，死时间极大影响了系统的计数上限，对于死时间的研究具有重要的现实意义。死时间的大小受到许多因素的影响，主要包括探测器自身参数以及外围电路的电容电阻和延迟时间等因素。死时间主要由两部分组成：淬灭时间和恢复时间。图3为APD的被动淬灭电路及其等效模型，当雪崩发生时，开关闭合，电容Cd放电，
电容C1充电，APD阳极电位升高，此为淬灭过程，如图3(b)所示。当淬灭结束后，开关断开，电容Cd充电，电容C1放电，APD阳极电位缓慢降低，此为恢复过程，如图3(c)所示。在被动淬灭电路下，淬灭时间和恢复时间可由以下两个公式近似得到：
式中：Tq为淬灭时间；Tr为恢复时间；Rd为APD内阻；Cd包括APD结电容和APD阳极端的分布电容。
通过实验，可以测得APD内阻Rd以及电容Cd。实验时，将电容C1去掉，测得APD阳极脉冲的上升淬灭时间Tq＝200ns和下降恢复时间Tr＝9.6ms，然后利用公式(1)和公式(2)，可以算出Rd≈4.1kW、Cd≈22pF。
实验所采用的APD为Perkin Elmer公司生产的硅基APD（型号为C30902SH），有源区面积为0.2 mm2。由于硅基APD对可见和近红外波段都有响应，为了避免外界杂散光的影响，将整个装置放置在暗箱中进行测试。首先将365nm的紫外LED放置在距离APD不同位置，利用辐射计测得到达APD表面附近的辐照度，经过衰减片衰减730倍后到达APD有源区，实验装置如图4所示。
对于主动淬灭电路而言，雪崩信号的恢复时间理论上是由恢复信号R（Reset）确定的。但是，实验表明恢复时间只在一定范围内完全由恢复信号R决定。实验测得光计数值随着恢复信号R脉宽的变化如图5所示。当恢复信号R的脉宽小于某一值时，计数值会出现明显下降。图5(a)和图5(b)是在不同电容C1下，所测得R脉宽与光计数之间的关系。由图5(a)和图5(b)可得，当电容C1减小时，光计数值在恢复信号R脉宽较小时才会出现下降拐点。图5(c)和图5(b)为不同采样电阻下的R脉宽与光计数值之间的关系，可以看出，当采样电阻增大时，光计数值减小的拐点向右移动，即R脉宽较大时就会使得光计数下降。
利用示波器观察APD阳极脉冲波形，发现在恢复信号R脉宽较小时，APD阳极电位在降低到“地”后会出现上升现象，如图6所示。这表明，当恢复信号R脉宽较小时，恢复时间反而变长，这导致死时间变长，计数值减小。文献[7]中，也提到过类似的现象，但并未对此给出解释。
从图6可以看到，当恢复信号R为高电平时，开关K2闭合，输出等效电容Cout通过开关K2充放电。当开关闭合时间小于电容Cout的放电时间时，开关K2断开后，电容Cout通过R1回路充放电的，导致使得死时间变长。为了避免出现这种情况，应使电容Cout的充放电时间尽量短。开关K2闭合时，恢复时间常数近似为：
式中：Rr为开关芯片的导通电阻。由此可见，为了减小恢复时间常数，应选择容值较小的电容C1，导通电阻较小的开关芯片，以及采样电阻R2也要尽可能的小。然而，当电容C1和电阻R2较小时，B点的输出脉冲幅值会降低，这导致后续电路对脉冲的探测难度增大。所以，恢复时间和输出脉冲幅值是一对矛盾，选择电容C1和电阻R2时必须兼顾上述两者的性能要求。
实验测试了不同电容C1和电阻R2下的恢复时间，并且利用Multisim软件对探测电路进行仿真，结果如表1所示。随着电容和电阻的增大，恢复时间随之增大，这符合上述分析结果。现阶段关于主动淬灭电路的研究，其死时间基本在几十纳秒量级。不同的探测器和电路结构等因素，都将对死时间产生影响。文献[7]中所设计的主被动混合淬灭电路，其死时间最小为300ns，在文献[8]中提到的主动淬灭电路死时间则为45ns。而对于采用集成工艺的淬灭电路，其死时间更是可以达到20ns以内[9-10]，这是由于集成电路中的输出电容参数可以控制得极小，从而能够有效减小恢复时间。
本文设计并搭建了基于盖革模式APD的主动淬灭电路，成功实现了对微弱紫外光的探测。同时，针对恢复信号脉宽对计数值的影响，分析了恢复信号脉宽与死时间的关系。结果表
明，当恢复信号脉宽较小时，会造成电路的死时间变长，无法有效实现主动恢复。所以，恢复信号必须保持一定的时间，而该保持时间由电路的采样电阻和电容确定。本文所设计的主动淬灭电路可用作紫外光通信接收端的核心部分。该研究对进一步减小探测电路死时间，提高通信系统带宽具有重要意义。
【相关文献】
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[3] 王荣阳. 基于雪崩光电二极管的紫外光通信系统研究[D]. 北京: 中国科学院大学, 2012.
WANG Rongyang. Research on avalanche photodiode-based UV communication system[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2012.
[4] 闫旭亮. 基于CMOS工艺SPAD的单光子探测技术研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2015.
YAN Xuliang. Study on single-photon detector Based on CMOS Technology Single-Photon Avalanche Diode[D]. Chongqing: Chongqing University, 2015.
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