1. 什么是單光子探測器
單光子探測器是一種探測超低噪聲的設(shè)備，超強的靈敏度使其能夠探測到光的最小能量量子-光子，因為單光子探測器可以對單個光子進行計數(shù)，實現(xiàn)對極微弱目標(biāo)信號的探測，所以在許多可獲得的信號強度僅為幾個光子能量級的新興應(yīng)用領(lǐng)域中被廣用。
2.半導(dǎo)體單光子探測器原理
半導(dǎo)體單光子探測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）進行單光子探測?；赟i的雪崩管適用于可見光波段檢測，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轉(zhuǎn)換為電信號，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，包括兩個重摻雜區(qū)和兩個輕摻雜區(qū)，重摻雜區(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的陽極，而 n+ 區(qū)的作用類似PIN陰極。因為加了反向的偏置電壓，所以當(dāng)有光撞擊或光子形成的電荷載流子通過時就會發(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，該電壓增強了耗盡層之外的電場。當(dāng)入射光穿透 p+ 區(qū)域時，它會在電阻極大的 p 區(qū)域內(nèi)被吸收，然后生成電子-空穴對。只要存在高電場，電荷載流子包括其飽和速度就會漂移到 pn+ 區(qū)域。當(dāng)速度最高時，載流子將通過其他原子碰撞并產(chǎn)生新的電子-空穴對，巨大的電荷載流子對將導(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就是一個增益高的普通光電二極管。
（2）單光子探測器計數(shù)原理：
單光子探測器是使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）。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，信號放大作用實際上變得無限大，甚至只探測到單光子也會引起雪崩效應(yīng)，從而出現(xiàn)宏觀電流脈沖（點A到B），之后可以通過后端所設(shè)計的電子電路輕松的探測到信號。該電路必須要限制流過器件的電流的值，以防止其破壞器件并能夠淬滅雪崩以使器件復(fù)位（點B到C）。一定時間后（死時間），偏置電壓將恢復(fù)（C點到A點），SPAD再次準備探測單個光子。擊穿電壓的實際值取決于半導(dǎo)體材料、器件結(jié)構(gòu)和溫度等因素。對于InGaAs / InP-APD來說，擊穿電壓通常約為50V。在蓋革模式下，APD的探測效率以及噪聲都取決于所加的偏置電壓。簡單來說（如圖2）就是蓋格模式下APD接受到光子后就會進入并一直處于反向擊穿狀態(tài)，APD一直通過一個很大的反向電流，這時再通過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)，等待下一個光子。
圖 SPAD的I-V特性曲線
圖 APD的蓋革工作模式
- 探測效率：雪崩光電二極管APD在單光子探測模式下的性能主要以其探測效率為特征。該量對應(yīng)于光子撞擊到光電二極管上被探測到的概率。一般單光子探測器的探測效率受輸入光波長，探測器暗計數(shù)等影響。
- 暗計數(shù)：在單光子探測領(lǐng)域，雜散光（非信號光）和電噪聲也會有 被單光子探測器認為是有效光的可能性，在此領(lǐng)域內(nèi)，這種誤判稱暗計數(shù)。在探測過程中，即使沒有光入射，光電倍增管中也會產(chǎn)生一些暗電流脈沖數(shù)（s-1）表示信號檢出的大致下限。暗計數(shù)率是在沒有入射光時平均計數(shù)率，決定了真實光子占主導(dǎo)信號時的最小計數(shù)率。錯誤計數(shù)率主要是熱效應(yīng)引起的，因此通過冷卻探測器可以顯著抑制，同時這也在一定程度上可以減小有源區(qū)面積。
- 死時間：單光子雪崩二極管的工作模式是蓋革模式，一旦觸發(fā)探測器后需要一段時間來重啟，重啟之后才能進行下一個光子事件的探測，重啟所用的時間也叫做死時間，死時間的大小會影響光子計數(shù)分布，死時間越小，探測器性能越好。
- 后脈沖：當(dāng)APD單光子探測器發(fā)生雪崩時，有一部分載流子會滯留在倍增層中，這些滯留的載流子隨后釋放的時候也會觸發(fā)雪崩，產(chǎn)生非光子探測脈沖，這樣的脈沖稱為后脈沖。后脈沖會造成錯誤計數(shù)，而SNSPD無后脈沖。后脈沖現(xiàn)象是導(dǎo)致單光子探測噪聲的主要來源。在雪崩發(fā)生時，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器后，基于光電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷穿越探測器的雪崩倍增區(qū)，一些載流子被這些缺陷俘獲，當(dāng)光電轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后，這些從缺陷中心釋放的載流子受到電場加速，會再次引發(fā)雪崩，產(chǎn)生與前一次雪崩脈沖相關(guān)聯(lián)的后脈沖，從而引起探測器誤計數(shù)。
- 淬滅：雪崩二極管不能長時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降到擊穿電壓以下，否則持續(xù)的雪崩電流會產(chǎn)生過度的功耗縮減雪崩二極管的壽命并且不能進行下一次的檢測。為了使雪崩二極管spa探測器能夠繼續(xù)探測和計數(shù)下一個光子信號，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，然后進行復(fù)位，這樣才能接受下一個光子。淬滅復(fù)位電路的工作過程如下：首先雪崩二極管雪崩信號發(fā)生，淬滅電路進行雪崩電流感應(yīng)并及時淬滅雪崩大電流，將其反偏電壓降低到雪崩電壓以下，并輸出脈沖信號，然后經(jīng)過延遲保持電路輸出復(fù)位信號連接到復(fù)位端，對雪崩二極管進行復(fù)位，恢復(fù)到初始狀態(tài)。
3.單光子探測器的常見應(yīng)用
1）時間相關(guān)單光子計數(shù):隨著量子技術(shù)的發(fā)展，量子計算機已經(jīng)成為了可能，單光子計數(shù)是量子計算機實現(xiàn)高速運算的基礎(chǔ)，而單光子計數(shù)又依賴于單光子探測器對單個量子的捕捉。
2）單分子檢測：對于本身信號很弱的單分子來說，單光子探測器能夠在一定的空間和時間范圍內(nèi)捕捉到這些單分子信號。
3）量子密碼學(xué)：實現(xiàn)量子密鑰分配需要將光信號能量降低至光子水平，因此，高精度的光子探測設(shè)備是必須的。
4) 單光子測距：用飛行時間法對目標(biāo)進行測距的，使用高頻率窄線寬的脈沖激光器發(fā)射激光，激光到達物體后，再通過漫反射到探測器的靶面，通過系統(tǒng)的計時模塊記錄信號起始時間和終止時間，得到目標(biāo)距離。為了更精確的測得距離，避免各種干擾探測系統(tǒng)采用單光子探測器。單光子探測器也廣泛應(yīng)用在一些高精度，遠距離的測量系統(tǒng)中，比如機載平臺和星載平臺。
5) 單光子成像：隨著自由時間相關(guān)的光子計數(shù)激光測距技術(shù)的逐漸發(fā)展，光子計數(shù)激光測距系統(tǒng)時間分辨率也在逐漸提高。采用單光子探測器的單光子測距系統(tǒng)已經(jīng)廣泛使用在單光子成像領(lǐng)域。
6) 光子源特性測試：隨著量子物理技術(shù)、非線性技術(shù)和量子點技術(shù)的進步和發(fā)展，單光子源和光子糾纏源的開發(fā)需求日益增多。在這些設(shè)備的開發(fā)過程中，需要高靈敏度的檢測手段來對其進行特性分析和測試，單光子計數(shù)器就是一種有效的手段。
總而言之，隨著人們對微觀粒子以及量子技術(shù)的深入研究，單光子探測器在各個領(lǐng)域的使用將越來越廣泛。
（完）