近年来出现了一种称为硅光电倍增管的器件,其实质是由工作在盖革模式的雪崩二极管(avalanche photo diode,APD)阵列组成,滨松公司的这种产品被称为多像素光子计数器(multi-pixel photon counter,MPPC),SENSL公司的这种产品称为硅光电倍增(silicon photomultiplier,SIPM)。它工作在盖革模式下时,增益可达到10⁶,接近光电倍增管(photomultiplier tube,PMT)的增益水平,探测能力稍低于PMT,最低可以测量几百飞瓦量级的超微弱光信号。并且SIPM偏置电压小于100 V,具有硅基的全固态结构,集成度高、抗干扰能力强的特点,可以克服PMT操作电压高、量子效率低、不能在强磁场中工作的缺点,价格仅为PMT的1/10,因此在超微弱光信号探测领域具有很大的潜力。

国际上关于SIPM的报道主要集中在核物理、正电子发射断层扫描成像(PET)等领域。2003年俄罗斯莫斯科工程与物理研究所Buzhan等^[1]报道了SIPM在闪烁光纤检测器、塑料闪烁体波长频移、切伦科夫成像计数器等方面的应用,2006年日本滨松光子Yamamoto等^[2]详细介绍了其商业化产品SIPM(MPPC)的增益、量子效率、噪声等特性,关于SIPM其他方面的应用美国加利福利亚大学Roncali等^[3]作了详细的总结。在国内Xi等开展了SIPM在PET成像领域的研究^[4],赵帅等^{[5, 6]}进行了SIPM在激光主动探测方面的研究,聂瑞杰等^[7]开展了SIPM在水下激光三维成像技术的研究。在这些研究报道中,光信号都非常微弱,SIPM工作于光子计数模式,而对光信号稍强、光子脉冲信号叠加、计数模式失效的情况鲜见报道。本文设计了一套基于SIPM的脉冲光信号测量装置,旨在研究SIPM对微弱脉冲光信号进行探测过程中光强超出光子计数极限的情况,实现以SIPM代替昂贵的PMT进行微弱光信号的测量的目标。

1 SIPM工作原理

SIPM中的每个APD单元都是工作在盖革模式下的,其偏置电压大于击穿电压,这种模式下,增益达10⁵～10⁶,一个光子就会导致雪崩,从而电压快速下降,在放电完成重新充电达到原来的电压之前,该单元是无法再探测到光子的。因此目前大多数的研究工作都是基于光子计数模式。

由于光子计数工作模式下,需要先对光子脉冲进行整形,如果多光子脉冲相互重叠,无法进行有效的脉冲整形,从而无法进行光子计数,SIPM对不同强度光信号的响应如图 1所示。当光强比较微弱时,每个光子脉冲相互独立(见图 1(a)),可以实现光子计数;当光强增加,多个光子脉冲相互叠加并且出现重叠(见图 1(b)),这样是无法进行计数的,需要采用积分测量模式。本文所介绍的系统适用于积分模式。

图 1

Fig. 1

图 1 SIPM对不同光强的响应 Fig. 1 SIPM′s response of different optical intensities

系统由SIPM及其高压偏置模块HV BIAS、驱动模块、数据采集模块^[8]、计算机等组成,系统框图如图 2所示。脉冲光信号经过SIPM转化为电流信号,进入阻抗变换放大器(TIA)转化为电压信号,其输出信号为快速光子脉冲信号,受AD的采样率限制,先将其进行抗混叠滤波,之后信号由采集卡模块将模拟信号数字化之后送入PC中进行数据处理,从而得到光信号的大小。

图 2

Fig. 2

图 2 SIPM光检测系统框图 Fig. 2 SIPM optical measurement system

由于有抗混叠滤波器的存在,显然本系统测量的信号为光子脉冲平均信号,本质上是系统带宽限制下的多光子脉冲叠加的平均信号,反映了小于系统带宽频率变化的光信号,且滤除了光子脉冲以及光强更高频率的变化细节。在测试脉冲光信号时,只需要保证系统带宽大于脉冲信号的带宽,就可以保证信号被准确地测量。 3 实验装置及系统测试

由于没有系统测试所需的标定光强的光源,实验采用10 kHz,占空比为4%的脉冲波形驱动LED,再通过改变可调衰减器的衰减系数来达到调整信号强度的目的。为了标定光信号的强度,将光束分为两束,采用PMT测试其中一路光的强度。系统框图如图 3所示,LED光源发出的光经过可调衰减器之后,被透镜准直,然后被分束镜分为两束光,分别被接收透镜会聚到SIPM和PMT光敏面上,输出信号被采集卡采集,并送入计算机处理。

图 3

Fig. 3

图 3 SIPM检测系统框图 Fig. 3 SIPM test system

SIPM器件采用日本滨松公司的MPPC S10362-025,其增益可以达到2.75×10⁵,偏置电压为73.53 V,SIPM的关键驱动电路图如图 4(a)所示,经过机械封装,实物如图 4(b)所示。滤波器带宽限制为1 MHz,采集卡采用TI公司的ADS5560,采样率为25 MS/s,分辨率为16 bit,FPGA采用Xilinx XC3S1600E,具有200万逻辑门。按照设计方案搭建的测试系统如图 4(c)所示,测试所得的PMT及SIPM的信号输出如图 4(d)所示。

图 4

Fig. 4

图 4 实验测试图 Fig. 4 Experimental test picture

实验使用的主要元件及技术指标如表 1所示。

表 1(Table 1)

表 1 SIPM实验主要元件表 Tab. 1 Chief components of SIPM experiment 名称及型号 主要指标 厂商 SIPM:S10362-025 光敏面大小1 mm×1 mm 增益2.75×105 暗计数8.05×104 s-1 日本滨松 PMT:H10720-20 阳极灵敏度1.5×105 A/W 暗电流10 nA 日本滨松 LED:L10762 带宽70 MHz I=20 mA,P=1 mW 日本滨松 可调衰减器:GCO-07 相对密度0~3 300°连续可调 大恒光电 采集卡:ADS5560 采样率25 MS/s 分辨率16 bit 德州仪器 FPGA:XC3S1600E 200万逻辑门 赛灵思

表 1 SIPM实验主要元件表 Tab. 1 Chief components of SIPM experiment

SIPM的输出为其光信号与其光子探测效率以及增益的乘积,在光强不变的情况下,SIPM的输出与 增益之间只相差一个常数(光强和光子探测效率的乘积)。因此,可以在同一光强信号下,用SIPM的输出与偏置电压的关系来表征其增益与偏置电压的关系。 使用所设计系统,保证光强不变,调整SIPM的偏置电压,测得其输出值,如图 5所示,SIPM输出随着偏置电压增大而类似指数趋势增加。 为了较为准确地拟合出两者的关系,使参数不过大,将曲线右移至73 V,即以(x-73)为参数,用指数y=aexp(bx)对测量值进行拟合(其中a,b为拟合参数),得到拟合曲线为

图 5

Fig. 5

图 5 SIPM 输出和偏置电压的关系 Fig. 5 Relationship between the SIPM′s response and the bias voltage

由图 5可以看出,测量值与拟合曲线几乎完全吻合,拟合参数R²达到了0.994 7,显然,SIPM的总增益和偏置电压的关系可以用指数函数来近似描述。此结果与 日本滨松公司的Yamamoto等^[2]给出的SIPM输出与偏置电压呈线性关系并不矛盾,Yamamoto等给出的输出和偏置电压呈线性关系是指单光子脉冲的增益,而本系统测量的是多光子脉冲叠加之后的平均值。Yamamoto等同时也给出了光子串扰率(crosstalk rate)随着偏置电压的升高而迅速增加,另外从日本滨松公司的数据手册上还可以看到余脉冲率(after pulse rate)以及光子探测率(photo detection efficiency)也会随着偏置电压的升高而增加。在本系统中,假设单个光子的脉冲增益如Yamamoto等所描述的那样线性增加,那么再加上串扰率,余脉冲率,光子探测率都会随着偏置电压的增加而增加。所以随着偏置电压的增加,同样的光强信号被本文设计的SIPM系统探测时,输出信号就会随着电压增加而呈指数增长。测试结果表明,增益随着电压的增加而指数增长,正说明了这一现象。

按照上述同样的方法,关闭光源,调整偏置电压,测试系统的噪声均方根值RMS,结果如图 6所示。实线所示(其纵坐标为右边的纵坐标),噪声均方根值最低为445 μV,随着偏置电压增加,系统噪声增加,在超过73 V以后,迅速增加。将图 5中SIPM输出的信号值与噪声均方根值相除得到系统信噪比如图 6所示,信噪比随着偏置电压的增加而增加,当达到73.53 V时,信噪比达到最大值,说明73.53 V之后,噪声具有比信号增益更高阶的增长。这与表 1中所示的SIPM的技术指标中推荐的偏置电压73.53 V相一致,即该推荐偏置电压下,SIPM的信噪比最大。

图 6

Fig. 6

图 6 SIPM 噪声及信噪比与偏置电压的关系 Fig. 6 Relationship between the SIPM noise and the bias voltage

适当调整SIPM的偏置电压,使其不会出现饱和。保持SIPM的偏置电压为72.72 V不变,调整PMT的增益为4×10⁴,改变光强,测得光强(PMT输出)和SIPM输出的关系如图 7所示,对其进行线性拟合得到

图 7

Fig. 7

图 7 SIPM 对不同光强的响应特性 Fig. 7 SIPM′s response to different optical intensities

拟合精度R²=0.999 7,表明SIPM的输出随光信号的增加而线性增加。SIPM的输出为PMT输出信号强度的1.237 2倍,考虑到SIPM对光没有完全收集,以及两者的量子效率不同和光谱响应曲线的差别,不易精确计算增益,但是两者的输出信号的大小相差不大,说明在偏置电压72.72 V下,SIPM的增益和PMT的增益为同一量级,达到10⁴。

由于SIPM是工作在盖革模式下的,当某个单元接收到一个光子后,立刻发生雪崩并在很短的时间(大概几纳秒)内淬灭,然后电压需要有更长一点的时间(几十到几百纳秒)恢复到盖革模式的状态。因此,随着光强的增大,单位时间内入射的光子数变多,一个单元接受到光子发生淬灭而电压没有恢复到盖革模式之前,再被光子打到的概率增大,此时该单元对光子没有光子脉冲响应,这必然会导致输出信号与输入的光子数不成线性关系。事实上,其探测到的光子数和入射的光子数的关系为

e^-x泰勒展开式为

一阶近似的误差小于x²/2。即当x²/2<3%时,即x<0.24时,可以忽略二阶以上的各项,取一阶近似,即当N_photon/N_pix<0.24时,式(3)取一阶近似简化为

实验过程中,增益较大,在光强较小时,就达到了电路输出的最大幅值,因此呈线性关系,同时也说明,SIPM在小于特定的光强范围内,可以实现线性的光强测定。

5 结 论

本文将SIPM以积分工作模式应用于脉冲光测量系统中,研究了该模式下SIPM的工作特性。结果表明:SIPM在积分工作模式下,其增益随着偏置电压的增加而指数增长;其噪声均方根值最小为445 μV,在偏置电压大于73 V时,噪声随着偏置电压的增加快速增长;其信噪比也随着电压的增加而增加,在73.53 V时达到实验光强条件下的信噪比最大值;其增益可以达到10⁴以上。实验结果还表明:虽然SIPM对光信号的响应呈负指数增长,但是,在光强比较微弱的情况下,可以取一阶近似,其光强响应特性可以认为是线性的。

总之,本文所设计的基于SIPM的实验系统,其增益可以达到10⁴以上,噪声最低可以达到445 μV,在小于特定的光强时,其输出是线性响应的,因此其可以一定程度上替代PMT进行微弱光信号的测量。