单光子探测器

2.1科普知识

2.2.1单光子探测器简介及分类

光电探测器揄出的信号有两种形态，一种是当入射到探测器输入面的光较强时，探测器输出叠加了光子散粒噪声的电流信号，电流信号的波形与入射光强波形一致，探测器输出电流波形的幅度正比于输入光强，这种探测方式称为模拟模式。另一种是当入射到探测器输入面光较弱时，探测器输出离散的脉冲序列，采用脉冲幅度或脉冲定时的方法甄别单光子脉冲，每个脉冲表示探测到一个光子，根据探测器输出单光子脉冲信号的密度，而不是幅度来测量输入探测器的光强，这种方式称为光子计数模式。

1）光电倍增管(PMT)单光子探测器

光电倍增管利用外光电效应进行光探测，即当光入射光子的能量大于该物体中电子的逸出功时，电子能从物体中逃逸出来。经过后续的放大再进行探测。光电倍增管由光阴极，聚焦电极，打拿极，收集阳极组成。

探测过程是：当光电倍增管工作时，在第一级打拿极与光阴极之间，以及以后各级打拿极与前一极打套极之间都会有一个电压降，这个电压降让各打拿极以及第一级打拿极与光阴极之问存在一个电场，当光入射到光阴极上时，由于光电效应产生光电子，产生的电子在电场的加速下打到第一级打拿极产生更多的电子，这些电子经过后面几级打拿极倍增产生了更多的电子最终进入到收集阳极产生一个可以检测的电流，完成整个探测过程。

2）雪崩光电二极管（APD）单光子探测器

雪崩光电二极管有两种工作模式，一种叫线性模式，一种是盖革模式，工作在线性模式时光电二极管产生的光电流和入射光的强度成线性关系，由一个倍增因子描述这个倍增过程，增益因子在线性模武下是有限的。盖革模式是当加在器件两端的电压大于雪崩电压以后，如果在雪崩管的耗尽层里出现了载流子引起这个雪崩的过程，那么这个载流子倍增的过程就会一直持续，理论上这时候的倍增因子等于无穷大，我们探测单光子的时候就是工作在这个模式。

在单光子探测中，APD一般是工作在所谓的“盖革模式”下，在这种模式下，雪崩光电二极管两端的偏压大于雪崩电压。当有光子信号到达APD时，被APD吸收，并使APD迅速雪崩。

当APD的工作电压逐渐逼近雪崩电压时，理论上雪崩因子M将趋于无穷大；实际上，当工作电压小于雪崩值时，M到1000左右就会饱和。只有在盖革模式下，即工作电压高于雪崩击穿电压时，M才能大到足以捕提单光子。在盖革模式下，噪音也很大，因此必须降低工作温度，以减少噪音。另外，还必须在一个光子触发了雪崩后停止它，否则雪崩继续下去，探测器无法接受下一个光子。因此，尽量缩短死时间，才能提高光子探测率。在很大的M下，只要pn结里存在一个电子-空穴对，雪崩就会继续存在。若要抑灭雪崩，必须限制通过pn结的电流。当电流小于一个阈值时，由于电流随时间也有一个分布，必定存在某一瞬间，pn结内没有任何电子或空穴，雪崩就会被抑制。根据抑制方式的不同APD盖革模式下的应用类型分为两种：无源抑制和有源抑制。在计数车要求不高的情况下采用无源抑制，在量子通信等计数率要求高的实验中需采用有源抑制。

目前应用的APD主要有三种，即Si-APD、Ge-APD和InGaAS-APD。它们分别对应不同的波长。Si-APD主要工作在400nm-1000nm，Ge-APD在800-1550nm, InGaAs-APD则在900-1700nm。对于光谱响应重叠部分，InGaAs-APD具有更低的噪声和频率响应特性，因而价格也是最高的。

3）超导纳米线单光子探测器 (SNSPD)

超导纳米线单光子探测器(Superconducting Nanowire Single Photon Dtector,SNSPD）是一种性能优异的单光子探测器，处于偏置状态的纳米线吸收光子后产生阻态，从而影响了电路电流分布，通过低噪声放大器，我们读出电路电流变化并获得一个光脉冲响应。SNSPD具有速度快，响应带宽宽，工作温度高，暗计数率低，时间抖动小等特点。

(a）超导纳米线保持在远小手临界温度以下，直流电流偏置在略小于其临界电流；（b）光子被纳米线吸收时，纳米线上产生了一个小的有阻热点；（c）超流被迫沿着热点周围流过；由于纳米线比较窄，热点周围的局域电流密度增加，超过其超导临界电流密度；（d） 这导致横跨整个纳米线的有阻势垒的形成；（e）偏置电流引起的焦耳热使得有阻区域进一步增大，直到纳米线中电流被阻隔，偏置电流被外界偏置电路所短路。这使得有阻区域逐渐减小，纳米线重新恢复到超导态。纳米线中的偏置电流也重新恢复到初始值。

2.1.2 单光子探测器主要指标

1）波长范围

波长范围指的是探测器能够响应的光谱频率范围。目前的单光子探测器都只对某一波段的光子敏感，这是由探测器的制作材料及加工工艺決定的，而探测器的光谱响应特性也决定了它的应用范围。单光子探测路可见光波段为300nm-1000nm，近红外波段为900nm-1700nm。

2）探测效率

探测效率指的是当有光子进入探测器的时候，它被探测到的概率，即成功探测到的光子数与入射光子数的比值，类似于传统光电探测器的量子效率。

3）死时间

当探测器探测到一个光子之后，在一定的时间内，探测器不能响应新的光子，这一段时间称为探测器的死时间，一般来说死时间越短越好。在当代的技术条件下，死时问取决于探测器的电子学后处理系统而非探测器的感光材料。

4）暗计数率

暗计数率（DCR:dark count rate)指在没有光子入射时由噪声载流子触发的雪崩的速率。通常表示为Hz、cps( counts per second）或者counts per nanosecond。暗计数是由于感光材料的缺陷，电压偏置和外界环境的干扰比如温度，湿度，热噪声等因素引起的。暗计数对实验的信噪比有直接影响，因此降低暗计数是单光子探测器发展的重要目标。降低器件暗计数的主要途径有：提高材料生长质量，降低工作温度，以及降低器件的过偏压。

5）时间抖动

时间抖动是指光子到达探测器和产生电脉沖响应的时间间隔，一般时间抖动越小越好。如果探测器时间抖动大，而测量的时间周期比较短，则有可能最终使得在前一个周期探测到的光子，最终被计入到后一个周期的计数中去，这样就会造成错误。因此，减小时间抖动也是单光子探测器的一个重要目标。

6）后脉冲

当APD单光子探测器发生雪崩时，有一部分载流子会滞留在倍增层中，这些滞留的载流子随后释放的时候也会触发雪崩，产生非光子探测脉冲，这样的脉冲称为后脉沖。后脉冲会造成错误计数，而SNSPD无后脉冲。