1. 什么是单光子探测器
单光子探测器是一种探测超低噪声的设备，超强的灵敏度使其能够探测到光的最小能量量子-光子，因为单光子探测器可以对单个光子进行计数，实现对极微弱目标信号的探测，所以在许多可获得的信号强度仅为几个光子能量级的新兴应用领域中被广用。
2.半导体单光子探测器原理
半导体单光子探测器的基本原理是利用工作在盖革模式下的Si-雪崩光电二极管或InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD）进行单光子探测。基于Si的雪崩管适用于可见光波段检测，InGaAs/InP雪崩管更适合近红外波段。
（1）雪崩光电二极管：
与其他二极管相比，使用雪崩方法提供额外性能的二极管称为雪崩光电二极管（APD）。雪崩二极管将光信号转换为电信号，区别一般光电二极管，雪崩二极管可以在高反向偏压下工作。雪崩二极管与PIN二极管的结构类似，包括两个重掺杂区和两个轻掺杂区，重掺杂区域是 P+ 和 N+，而轻掺杂区域是 I和P。
APD原理示意图
在本征区中，与 PIN 光电二极管相比，雪崩光电二极管的耗尽层宽度很薄。此处，p+ 区的作用类似PIN的阳极，而 n+ 区的作用类似PIN阴极。因为加了反向的偏置电压，所以当有光撞击或光子形成的电荷载流子通过时就会发生雪崩倍增。雪崩击穿主要发生在光电二极管承受最大反向电压时，该电压增强了耗尽层之外的电场。当入射光穿透 p+ 区域时，它会在电阻极大的 p 区域内被吸收，然后生成电子-空穴对。只要存在高电场，电荷载流子包括其饱和速度就会漂移到 pn+ 区域。当速度最高时，载流子将通过其他原子碰撞并产生新的电子-空穴对，巨大的电荷载流子对将导致高光电流。
雪崩二极管可以完全在耗尽模式下工作，它有两种工作模式，盖革模式和线型模式，区别在于线型模式偏置电压低于反向击穿电压，盖革模式偏置电压高于击穿电压。线性模式下APD就是一个增益高的普通光电二极管。
（2）单光子探测器计数原理：
单光子探测器是使SPAD工作在盖革模式下，（如图1）给SPAD加载使其处于击穿态的偏置电压VBr，并处于亚稳态（A点）。它将保持此状态，直到创建主电荷载流子。在这种情况下，信号放大作用实际上变得无限大，甚至只探测到单光子也会引起雪崩效应，从而出现宏观电流脉冲（点A到B），之后可以通过后端所设计的电子电路轻松的探测到信号。该电路必须要限制流过器件的电流的值，以防止其破坏器件并能够淬灭雪崩以使器件复位（点B到C）。一定时间后（死时间），偏置电压将恢复（C点到A点），SPAD再次准备探测单个光子。击穿电压的实际值取决于半导体材料、器件结构和温度等因素。对于InGaAs / InP-APD来说，击穿电压通常约为50V。在盖革模式下，APD的探测效率以及噪声都取决于所加的偏置电压。简单来说（如图2）就是盖格模式下APD接受到光子后就会进入并一直处于反向击穿状态，APD一直通过一个很大的反向电流，这时再通过外部电路使得偏置电压下降到击穿电压之下，从反向击穿模式恢复，等待下一个光子。
图 SPAD的I-V特性曲线
图 APD的盖革工作模式
- 探测效率：雪崩光电二极管APD在单光子探测模式下的性能主要以其探测效率为特征。该量对应于光子撞击到光电二极管上被探测到的概率。一般单光子探测器的探测效率受输入光波长，探测器暗计数等影响。
- 暗计数：在单光子探测领域，杂散光（非信号光）和电噪声也会有 被单光子探测器认为是有效光的可能性，在此领域内，这种误判称暗计数。在探测过程中，即使没有光入射，光电倍增管中也会产生一些暗电流脉冲数（s-1）表示信号检出的大致下限。暗计数率是在没有入射光时平均计数率，决定了真实光子占主导信号时的最小计数率。错误计数率主要是热效应引起的，因此通过冷却探测器可以显著抑制，同时这也在一定程度上可以减小有源区面积。
- 死时间：单光子雪崩二极管的工作模式是盖革模式，一旦触发探测器后需要一段时间来重启，重启之后才能进行下一个光子事件的探测，重启所用的时间也叫做死时间，死时间的大小会影响光子计数分布，死时间越小，探测器性能越好。
- 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冲。后脉冲会造成错误计数，而SNSPD无后脉冲。后脉冲现象是导致单光子探测噪声的主要来源。在雪崩发生时，雪崩倍增区中的任何缺陷都有可能成为载流子的俘获区域，当有光子入射到单光子探测器后，基于光电效应产生的电荷穿越探测器的雪崩倍增区，一些载流子被这些缺陷俘获，当光电转换过程结束后，这些从缺陷中心释放的载流子受到电场加速，会再次引发雪崩，产生与前一次雪崩脉冲相关联的后脉冲，从而引起探测器误计数。
- 淬灭：雪崩二极管不能长时间工作在这种雪崩状态下，必须要求将雪崩二极管的反向偏置电压及时降到击穿电压以下，否则持续的雪崩电流会产生过度的功耗缩减雪崩二极管的寿命并且不能进行下一次的检测。为了使雪崩二极管spa探测器能够继续探测和计数下一个光子信号，必须采用淬灭/复位电路尽快地将其反偏电压降低到击穿电压以下，然后进行复位，这样才能接受下一个光子。淬灭复位电路的工作过程如下：首先雪崩二极管雪崩信号发生，淬灭电路进行雪崩电流感应并及时淬灭雪崩大电流，将其反偏电压降低到雪崩电压以下，并输出脉冲信号，然后经过延迟保持电路输出复位信号连接到复位端，对雪崩二极管进行复位，恢复到初始状态。
3.单光子探测器的常见应用
1）时间相关单光子计数:随着量子技术的发展，量子计算机已经成为了可能，单光子计数是量子计算机实现高速运算的基础，而单光子计数又依赖于单光子探测器对单个量子的捕捉。
2）单分子检测：对于本身信号很弱的单分子来说，单光子探测器能够在一定的空间和时间范围内捕捉到这些单分子信号。
3）量子密码学：实现量子密钥分配需要将光信号能量降低至光子水平，因此，高精度的光子探测设备是必须的。
4) 单光子测距：用飞行时间法对目标进行测距的，使用高频率窄线宽的脉冲激光器发射激光，激光到达物体后，再通过漫反射到探测器的靶面，通过系统的计时模块记录信号起始时间和终止时间，得到目标距离。为了更精确的测得距离，避免各种干扰探测系统采用单光子探测器。单光子探测器也广泛应用在一些高精度，远距离的测量系统中，比如机载平台和星载平台。
5) 单光子成像：随着自由时间相关的光子计数激光测距技术的逐渐发展，光子计数激光测距系统时间分辨率也在逐渐提高。采用单光子探测器的单光子测距系统已经广泛使用在单光子成像领域。
6) 光子源特性测试：随着量子物理技术、非线性技术和量子点技术的进步和发展，单光子源和光子纠缠源的开发需求日益增多。在这些设备的开发过程中，需要高灵敏度的检测手段来对其进行特性分析和测试，单光子计数器就是一种有效的手段。
总而言之，随着人们对微观粒子以及量子技术的深入研究，单光子探测器在各个领域的使用将越来越广泛。
（完）