1. 什么是單光子探測(cè)器
單光子探測(cè)器是一種探測(cè)超低噪聲的設(shè)備，超強(qiáng)的靈敏度使其能夠探測(cè)到光的最小能量量子-光子，因?yàn)閱喂庾犹綔y(cè)器可以對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)極微弱目標(biāo)信號(hào)的探測(cè)，所以在許多可獲得的信號(hào)強(qiáng)度僅為幾個(gè)光子能量級(jí)的新興應(yīng)用領(lǐng)域中被廣用。
2.半導(dǎo)體單光子探測(cè)器原理
半導(dǎo)體單光子探測(cè)器的基本原理是利用工作在蓋革模式下的Si-雪崩光電二極管或InGaAs/InP雪崩光電二極管（APD）進(jìn)行單光子探測(cè)?；赟i的雪崩管適用于可見(jiàn)光波段檢測(cè)，InGaAs/InP雪崩管更適合近紅外波段。
（1）雪崩光電二極管：
與其他二極管相比，使用雪崩方法提供額外性能的二極管稱為雪崩光電二極管（APD）。雪崩二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，區(qū)別一般光電二極管，雪崩二極管可以在高反向偏壓下工作。雪崩二極管與PIN二極管的結(jié)構(gòu)類似，包括兩個(gè)重?fù)诫s區(qū)和兩個(gè)輕摻雜區(qū)，重?fù)诫s區(qū)域是 P+ 和 N+，而輕摻雜區(qū)域是 I和P。
APD原理示意圖
? ? ? 在本征區(qū)中，與 PIN 光電二極管相比，雪崩光電二極管的耗盡層寬度很薄。此處，p+ 區(qū)的作用類似PIN的陽(yáng)極，而 n+ 區(qū)的作用類似PIN陰極。因?yàn)榧恿朔聪虻钠秒妷?，所以?dāng)有光撞擊或光子形成的電荷載流子通過(guò)時(shí)就會(huì)發(fā)生雪崩倍增。雪崩擊穿主要發(fā)生在光電二極管承受最大反向電壓時(shí)，該電壓增強(qiáng)了耗盡層之外的電場(chǎng)。當(dāng)入射光穿透 p+ 區(qū)域時(shí)，它會(huì)在電阻極大的 p 區(qū)域內(nèi)被吸收，然后生成電子-空穴對(duì)。只要存在高電場(chǎng)，電荷載流子包括其飽和速度就會(huì)漂移到 pn+ 區(qū)域。當(dāng)速度最高時(shí)，載流子將通過(guò)其他原子碰撞并產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，巨大的電荷載流子對(duì)將導(dǎo)致高光電流。
雪崩二極管可以完全在耗盡模式下工作，它有兩種工作模式，蓋革模式和線型模式，區(qū)別在于線型模式偏置電壓低于反向擊穿電壓，蓋革模式偏置電壓高于擊穿電壓。線性模式下APD就是一個(gè)增益高的普通光電二極管。
（2）單光子探測(cè)器計(jì)數(shù)原理：
單光子探測(cè)器是使SPAD工作在蓋革模式下，（如圖1）給SPAD加載使其處于擊穿態(tài)的偏置電壓VBr，并處于亞穩(wěn)態(tài)（A點(diǎn)）。它將保持此狀態(tài)，直到創(chuàng)建主電荷載流子。在這種情況下，信號(hào)放大作用實(shí)際上變得無(wú)限大，甚至只探測(cè)到單光子也會(huì)引起雪崩效應(yīng)，從而出現(xiàn)宏觀電流脈沖（點(diǎn)A到B），之后可以通過(guò)后端所設(shè)計(jì)的電子電路輕松的探測(cè)到信號(hào)。該電路必須要限制流過(guò)器件的電流的值，以防止其破壞器件并能夠淬滅雪崩以使器件復(fù)位（點(diǎn)B到C）。一定時(shí)間后（死時(shí)間），偏置電壓將恢復(fù)（C點(diǎn)到A點(diǎn)），SPAD再次準(zhǔn)備探測(cè)單個(gè)光子。擊穿電壓的實(shí)際值取決于半導(dǎo)體材料、器件結(jié)構(gòu)和溫度等因素。對(duì)于InGaAs / InP-APD來(lái)說(shuō)，擊穿電壓通常約為50V。在蓋革模式下，APD的探測(cè)效率以及噪聲都取決于所加的偏置電壓。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)（如圖2）就是蓋格模式下APD接受到光子后就會(huì)進(jìn)入并一直處于反向擊穿狀態(tài)，APD一直通過(guò)一個(gè)很大的反向電流，這時(shí)再通過(guò)外部電路使得偏置電壓下降到擊穿電壓之下，從反向擊穿模式恢復(fù)，等待下一個(gè)光子。
圖 SPAD的I-V特性曲線
圖 APD的蓋革工作模式
- 探測(cè)效率：雪崩光電二極管APD在單光子探測(cè)模式下的性能主要以其探測(cè)效率為特征。該量對(duì)應(yīng)于光子撞擊到光電二極管上被探測(cè)到的概率。一般單光子探測(cè)器的探測(cè)效率受輸入光波長(zhǎng)，探測(cè)器暗計(jì)數(shù)等影響。
- 暗計(jì)數(shù)：在單光子探測(cè)領(lǐng)域，雜散光（非信號(hào)光）和電噪聲也會(huì)有 被單光子探測(cè)器認(rèn)為是有效光的可能性，在此領(lǐng)域內(nèi)，這種誤判稱暗計(jì)數(shù)。在探測(cè)過(guò)程中，即使沒(méi)有光入射，光電倍增管中也會(huì)產(chǎn)生一些暗電流脈沖數(shù)（s-1）表示信號(hào)檢出的大致下限。暗計(jì)數(shù)率是在沒(méi)有入射光時(shí)平均計(jì)數(shù)率，決定了真實(shí)光子占主導(dǎo)信號(hào)時(shí)的最小計(jì)數(shù)率。錯(cuò)誤計(jì)數(shù)率主要是熱效應(yīng)引起的，因此通過(guò)冷卻探測(cè)器可以顯著抑制，同時(shí)這也在一定程度上可以減小有源區(qū)面積。
- 死時(shí)間：單光子雪崩二極管的工作模式是蓋革模式，一旦觸發(fā)探測(cè)器后需要一段時(shí)間來(lái)重啟，重啟之后才能進(jìn)行下一個(gè)光子事件的探測(cè)，重啟所用的時(shí)間也叫做死時(shí)間，死時(shí)間的大小會(huì)影響光子計(jì)數(shù)分布，死時(shí)間越小，探測(cè)器性能越好。
- 后脈沖：當(dāng)APD單光子探測(cè)器發(fā)生雪崩時(shí)，有一部分載流子會(huì)滯留在倍增層中，這些滯留的載流子隨后釋放的時(shí)候也會(huì)觸發(fā)雪崩，產(chǎn)生非光子探測(cè)脈沖，這樣的脈沖稱為后脈沖。后脈沖會(huì)造成錯(cuò)誤計(jì)數(shù)，而SNSPD無(wú)后脈沖。后脈沖現(xiàn)象是導(dǎo)致單光子探測(cè)噪聲的主要來(lái)源。在雪崩發(fā)生時(shí)，雪崩倍增區(qū)中的任何缺陷都有可能成為載流子的俘獲區(qū)域，當(dāng)有光子入射到單光子探測(cè)器后，基于光電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷穿越探測(cè)器的雪崩倍增區(qū)，一些載流子被這些缺陷俘獲，當(dāng)光電轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束后，這些從缺陷中心釋放的載流子受到電場(chǎng)加速，會(huì)再次引發(fā)雪崩，產(chǎn)生與前一次雪崩脈沖相關(guān)聯(lián)的后脈沖，從而引起探測(cè)器誤計(jì)數(shù)。
- 淬滅：雪崩二極管不能長(zhǎng)時(shí)間工作在這種雪崩狀態(tài)下，必須要求將雪崩二極管的反向偏置電壓及時(shí)降到擊穿電壓以下，否則持續(xù)的雪崩電流會(huì)產(chǎn)生過(guò)度的功耗縮減雪崩二極管的壽命并且不能進(jìn)行下一次的檢測(cè)。為了使雪崩二極管spa探測(cè)器能夠繼續(xù)探測(cè)和計(jì)數(shù)下一個(gè)光子信號(hào)，必須采用淬滅/復(fù)位電路盡快地將其反偏電壓降低到擊穿電壓以下，然后進(jìn)行復(fù)位，這樣才能接受下一個(gè)光子。淬滅復(fù)位電路的工作過(guò)程如下：首先雪崩二極管雪崩信號(hào)發(fā)生，淬滅電路進(jìn)行雪崩電流感應(yīng)并及時(shí)淬滅雪崩大電流，將其反偏電壓降低到雪崩電壓以下，并輸出脈沖信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)延遲保持電路輸出復(fù)位信號(hào)連接到復(fù)位端，對(duì)雪崩二極管進(jìn)行復(fù)位，恢復(fù)到初始狀態(tài)。
3.單光子探測(cè)器的常見(jiàn)應(yīng)用
1）時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù):隨著量子技術(shù)的發(fā)展，量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為了可能，單光子計(jì)數(shù)是量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算的基礎(chǔ)，而單光子計(jì)數(shù)又依賴于單光子探測(cè)器對(duì)單個(gè)量子的捕捉。
2）單分子檢測(cè)：對(duì)于本身信號(hào)很弱的單分子來(lái)說(shuō)，單光子探測(cè)器能夠在一定的空間和時(shí)間范圍內(nèi)捕捉到這些單分子信號(hào)。
3）量子密碼學(xué)：實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配需要將光信號(hào)能量降低至光子水平，因此，高精度的光子探測(cè)設(shè)備是必須的。
4) 單光子測(cè)距：用飛行時(shí)間法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距的，使用高頻率窄線寬的脈沖激光器發(fā)射激光，激光到達(dá)物體后，再通過(guò)漫反射到探測(cè)器的靶面，通過(guò)系統(tǒng)的計(jì)時(shí)模塊記錄信號(hào)起始時(shí)間和終止時(shí)間，得到目標(biāo)距離。為了更精確的測(cè)得距離，避免各種干擾探測(cè)系統(tǒng)采用單光子探測(cè)器。單光子探測(cè)器也廣泛應(yīng)用在一些高精度，遠(yuǎn)距離的測(cè)量系統(tǒng)中，比如機(jī)載平臺(tái)和星載平臺(tái)。
5) 單光子成像：隨著自由時(shí)間相關(guān)的光子計(jì)數(shù)激光測(cè)距技術(shù)的逐漸發(fā)展，光子計(jì)數(shù)激光測(cè)距系統(tǒng)時(shí)間分辨率也在逐漸提高。采用單光子探測(cè)器的單光子測(cè)距系統(tǒng)已經(jīng)廣泛使用在單光子成像領(lǐng)域。
6) 光子源特性測(cè)試：隨著量子物理技術(shù)、非線性技術(shù)和量子點(diǎn)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，單光子源和光子糾纏源的開(kāi)發(fā)需求日益增多。在這些設(shè)備的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要高靈敏度的檢測(cè)手段來(lái)對(duì)其進(jìn)行特性分析和測(cè)試，單光子計(jì)數(shù)器就是一種有效的手段。
總而言之，隨著人們對(duì)微觀粒子以及量子技術(shù)的深入研究，單光子探測(cè)器在各個(gè)領(lǐng)域的使用將越來(lái)越廣泛。
（完）