高精度雪崩光电二极管偏置电源

魏正军,王金东

(华南师范大学光子信息技术广东普通高校重点实验室,广东广州510006)

0 引 言

量子保密通信系统为远程用户提供了一种绝对安全的密钥分发方案[1],获得了国内外科学家的广泛关注与研究。随着量子保密通信技术的兴起,围绕工作于通信波段的红外单光子探测器的研究工作更加活跃起来。目前,单光子的检测是采用基于InGaAs APD的单光子探测器实现的,其原理是:使APD工作于雪崩击穿电压之上,这时APD的倍增因子趋近于无穷大,一个光生载流子将触发一个巨观的雪崩脉冲,供后级电路进行单光子判读。为了降低暗计数率和后脉冲率,APD都工作在门控模式下[2]:APD被直流电源偏置在雪崩击穿电压之下,当光子到达时,门控电源输出一个门控脉冲。门控脉冲与直流偏置电压叠加,使得光子到达瞬间APD上的工作电压大于雪崩击穿电压,从而实现单光子探测。因为APD的倍增因子随偏置电压的增大而急剧增大,在雪崩击穿电压之上,偏置电压的微小变化,都会导致APD输出特性的极大变化。因此对偏置电源的温度系数和纹波电压大小都提出了很高的要求,目前的APD偏置电源都是为工作在线性区的APD设计的,在纹波电压、温度稳定性方面难以满足工作在盖革模式的APD的要求。本文提出了一种使用开关电源产生高电压,采用线性稳压电源获得高稳定度,低纹波值的APD偏置电源方案。

1 用于单光子探测的APD对偏置电源的要求

目前使用的APD在偏置电压变化0.1 V时,探测效率变化超过26.3%,暗计数率变化超过79.7%。如果要求探测效率的变化小于5%,那么偏置电压的变化应小于19 mV。以偏置电压为45 V计,电源输出电压的变化必须小于0.0422%。以常用的APD偏置电源产生芯片美信公司的max5026为例,它的温度系数约为36 mV/℃,纹波电压大小为100 mV,难以满足工作在盖革模式下的APD的需求。而线性稳压电源可以提供较低的纹波电压,采用深度反馈电路配合高精度的电压基准,可以实现非常高的输出电压稳定性。但是,线性稳压电源无法进行升压变换。

2 用于单光子探测的APD的偏置电源方案

提出了采用 max5026把5 V的电源电压升压到71 V,再通过线性稳压电源滤除开关电源的纹波,同时把输出电压稳定在45 V的高精度低纹波APD偏置电源方案。其中,开关电源部分的电路如图1所示,采用美信公司的低噪声、固定频率PWM芯片max5026[3]。

max5026的开关频率为500 kHz,其内部的横向DMOS开关器件具有40 V的极限耐压,这还达不到In GaAsAPD的40～65 V的工作电压范围。因此在外部加上由C3、C4、D2和D3构成的倍压网络,使开关电源的输出电压可高达71 V。

图1 开关电源部分的原理图

线性稳压电源部分的电路如图2所示,采用一个德州仪器公司的精密电压基准源REF5040提供稳定的参考源,它的温度系数小于3 ppm/℃。误差放大器采用三极点,双零点补偿的拓扑结构,能够很好地抑制开关电源产生的纹波电压,同时获得足够高的反馈深度,稳定偏置电源的输出电压。利用AD8571开环增益145dB的优势形成一个深度负反馈的环路,这样电源的温度稳定性就主要受分压取样电阻的温度系数影响了。采用高品质的电位器等效成两个电阻来取样输出电压,因为是同一个电阻膜,所以两个等效的电阻温度系数的一致性很好,其温度漂移相互抵消,获得了较好的稳定性。

图2 线性电源部分的原理图

3 实验结果与讨论

图3 偏置电源的输出纹波电压

采用开关电源与线性稳压电源结合的方案,对电路的输出电压进行了为期一周的测量,温度变化范围为6～19℃,在输出电压为45 V时,测量结果为:温度系数为1.1 mV/℃,纹波电压为100 μ V,如图3所示。这样在室温为10℃到25℃之间变化时,输出电压的变化为16.5 mV,满足用于单光子探测的APD对偏置电源的要求。

[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.