用于单光子雪崩二极管的百伏级低噪声高压偏置电源
单光子雪崩二极管因其单光子级别的探测灵敏度、皮秒级的时间分辨率和易于集成的优点，已成为量子密钥分发、激光雷达、时间相关单光子计数及荧光寿命成像等前沿领域不可或缺的光电探测器件。SPAD工作在盖革模式下，需要在其PN结上施加一个高于其击穿电压的反向偏置电压，即过偏压，以获得足以触发自持雪崩的增益。这个偏置电压的幅值通常在数十伏至数百伏（百伏级），但其噪声和稳定性要求却极其苛刻，因为任何叠加在偏压上的波动都会直接调制SPAD的探测效率、暗计数率、时间抖动和后脉冲概率，最终决定整个光子探测系统的性能极限。
SPAD对偏置电压的噪声敏感性源于其工作原理。过偏压V_ex = V_bias - V_br的大小直接决定了雪崩触发概率和增益。V_bias的微小变化（无论是低频漂移还是高频纹波）都会引起V_ex的等幅波动。对于探测效率，V_ex每变化0.1V，探测效率可能变化数个百分比。更严重的是，在被动淬灭电路中，偏压的纹波可能直接叠加在雪崩脉冲上，干扰淬灭和恢复过程，引入额外的定时抖动。对于暗计数，V_ex的增加会指数级地提高隧穿效应和陷阱辅助的热激发概率，因此偏压的不稳定会使暗计数率忽高忽低，破坏测量的可重复性。后脉冲概率也与V_ex和雪崩过程中流过的电荷量密切相关，偏压噪声会引入难以预测的后脉冲变化。
因此，为SPAD设计百伏级低噪声高压偏置电源，是一项在高压与超低噪声之间寻求极致平衡的精细化工程。首要任务是抑制电源的固有噪声。在电路拓扑上，线性稳压是唯一的出路，因为任何开关电源的开关频率噪声及其谐波都难以被彻底滤除到SPAD可接受的水平。电源通常采用两级或多级线性稳压串联的结构：前级可选用低噪声的开关电源或电池作为预稳压，将电压稳定在目标值附近，后级则由基于高精度运放和基准源的线性调节器构成，负责最终的低噪声输出和快速调整。末级线性调整管需选用低噪声、低1/f噪声的晶体管，其工作点需精心设置以最小化噪声贡献。
基准电压源是噪声的源头。必须选用极低噪声、低温漂的埋层齐纳二极管基准或带隙基准，并配合多级RC滤波器进一步滤除其宽带噪声。有时，基准源还需要被置于微型恒温槽中，以消除温度波动引起的漂移。高压采样分压网络由精密金属箔电阻或薄膜电阻阵列构成，这些电阻不仅要求温度系数匹配，其自身的热噪声也必须极低，且在高压下不产生额外的电压系数噪声。分压网络的布局需确保其不受邻近功率器件的热辐射影响，并可能进行局部屏蔽。
电源的输出级与SPAD的连接方式对实际噪声水平有决定性影响。SPAD通常需要串联一个较大的镇流电阻（数百千欧至兆欧）来淬灭雪崩。这个电阻与SPAD的结电容和寄生电容构成一个RC低通滤波器，能有效滤除来自电源的高频噪声。然而，这个滤波效果受限于电阻的寄生电感和电容，且对低频噪声无能为力。因此，在电源输出端与镇流电阻之间，通常还需要额外加装一级或多级LC或RC低通滤波器，滤波器的截止频率应远低于SPAD的最低工作重复频率，且元件本身（特别是电感）不能引入额外的磁场干扰。
除了噪声，偏置电压的长期稳定性（时漂）同样至关重要。在需要长时间计数的量子密钥分发或天文观测中，电源输出电压的缓慢漂移会使SPAD的工作点偏离最佳值，导致量子比特误码率上升或探测效率下降。这种漂移主要源于基准源的老化和电阻的长期稳定性。因此，关键元件必须经过长期老化筛选，并在设计中预留外部校准接口。一些高端系统还会采用周期性自校准方案：每隔一段时间，通过内置的高精度数字电压表测量实际输出，并与设定值比对，如有偏差则通过数模转换器进行修正。
温度稳定性是另一个重点。虽然基准源和电阻具有低温漂，但电源内部温升以及环境温度变化仍会引起漂移。除了选用低温漂元件，合理的散热设计和温度补偿网络同样重要。将基准源和关键分压电阻置于热沉上，或采用加热器使其保持恒温，是消除温漂的有效但功耗较高的手段。
最后，SPAD偏置电源必须配备完善的保护功能。由于SPAD极其脆弱，瞬间的过压或浪涌就可能导致其永久性损坏。因此，电源必须具有快速的过压保护电路，能在微秒级内将输出电压钳位或切断。启动和关断时的电压变化斜率必须受控，防止产生电压过冲。此外，SPAD在工作中可能因强光照射而产生持续的大电流雪崩，电源应能检测到这种异常过流并迅速响应，而非试图维持恒压输出，以避免烧毁器件。
总而言之，用于单光子雪崩二极管的百伏级低噪声高压偏置电源，其设计与制造是一门在电气噪声的汪洋大海中为单光子信号开辟一片“静默港湾”的艺术。它的每一项参数优化，都是为了将那来自量子世界的微弱光信号，从背景噪声中清晰、稳定地剥离出来，使人类对微观世界的探索得以触及更深的极限。
