單光子探測器（SPD）的研制是量子光學和量子信息領(lǐng)域的一個重要研究課題。單光子探測器突破了傳統(tǒng)探測器只針對振幅進行采樣的局限，同時對光波或者光子的偏振、波矢、位相等特性進行探測，具有可保持測量信號完整性、理論量子效率高、工作電壓低、探測靈敏度高等優(yōu)點，同時具有室溫單光子探測的潛力。

該文章介紹了單光子探測器的工作機理，總結(jié)對比了光電倍增管、雪崩光電二極管等傳統(tǒng)單光子探測器以及基于新型二維材料的雪崩光電二極管、超導納米線單光子探測器等新型單光子光電探測器的優(yōu)勢與不足，并對其發(fā)展前景進行了展望。此外還介紹了單光子探測器在量子通信、激光測距和成像等領(lǐng)域的應用。

單光子探測器原理、種類和評價指標介紹

單光子探測原理

單光子探測器依靠其超高的靈敏度可以對單個光子進行檢測和計數(shù)，主要功能是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。該器件的探測原理主要基于光電效應進行探測的。光電效應是光量子作用于探測器件后，原子或者分子的電子狀態(tài)隨之發(fā)生改變，通過對電子狀態(tài)變化的測量，從而實現(xiàn)對光子的測量。光電效應可分為內(nèi)光電效應和外光電效應，內(nèi)光電效應是由于光量子作用引發(fā)電化學性質(zhì)變化的方式；外光電效應則是探測元件吸收光子并激發(fā)逸出電子的方式。

單光子探測器種類

目前，常用的單光子探測器件主要有光電倍增管（PMT）、雪崩光電二極管（APD）及超導納米線單光子探測（SNSPD）等。其中，光電倍增管和雪崩光電二極管都屬于傳統(tǒng)單光子技術(shù)的光電器件。光電倍增管由光窗、光電陰極、聚焦電極、倍增極及陽極等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

雪崩光電二極管是具有內(nèi)部光電增益的半導體光電子器件，利用載流子的雪崩倍增效應來放大光電信號，如圖2所示。近年來，隨著光電探測技術(shù)以及新型結(jié)構(gòu)的發(fā)展，出現(xiàn)了基于量子點的單光子探測器、可見光子計數(shù)器、基于頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)的單光子探測器和超導單光子探測器等多種新穎光電探測器。

圖1 雪崩二極管的典型結(jié)構(gòu)

圖2 雪崩光電二極管的典型結(jié)構(gòu)

主要評價指標

單光子探測器的評價指標主要有光子探測效率、暗計數(shù)率、死時間和時間抖動等。另外，光敏面尺寸、光子數(shù)分辨能力、光譜響應波長等也是需要考慮的性能參數(shù)。

國內(nèi)外探測器件發(fā)展現(xiàn)狀

雪崩單光子探測器

目前，雪崩單光子探測器件發(fā)展成熟，國外已經(jīng)有許多公司研制出此類單光子探測器產(chǎn)品，比如美國的Princeton Lightwave公司研制的SPAD系列以及日本濱松公司的系列產(chǎn)品。圖3為濱松公司生產(chǎn)的硅APD、銦鎵砷APD、硅APD陣列系列樣圖及其光譜響應曲線圖。

硅APD在弱光檢測中具有高速、高靈敏度特點，主要工作在波長為400～1100nm范圍之間，且具備增益機制。銦鎵砷APD則工作在900～1700nm之間，具備低噪聲和更高截止頻率等特點。硅APD陣列則具有低噪聲和短波范圍高靈敏度的特點。

圖3 濱松公司生產(chǎn)的APD系列樣圖及其光譜響應曲線圖

在國內(nèi)，對于雪崩光電二極管的研究起步較晚，南京大學寬禁帶半導體器件與微納光電實驗室在國內(nèi)首先實現(xiàn)了以W碳化硅和Ⅲ族碳化物等半導體材料制作的SiC-APD為核心器件的單光子探測器，其具備低暗計數(shù)率、高探測效率和可達納秒量級的響應速度的優(yōu)異特點，此外可實現(xiàn)波長為210～370nm范圍之間，擊穿電壓為170V等工作特性，如圖4所示。

圖4 SiC-APD器件的雪崩增益特性

上海技術(shù)物理研究所近幾年的APD單光子探測器研究上取得了一系列的突破。成功研制了在1550nm的工作波段上實現(xiàn)探測效率10%，門脈沖頻率1GHz，暗計數(shù)率24kHz，暗電流僅為0.47nA的蓋格模式單光子探測器；該探測器在1064nm波段上實現(xiàn)探測率30%，暗計數(shù)率8kHz，死時間80ns下脈沖概率達到14%。同時該單位還開展了量子型單光子探測器件的研究，在77K溫度下實現(xiàn)了近紅外光子數(shù)分辨的能力，并在常規(guī)的APD器件基礎上開展微納調(diào)控新結(jié)構(gòu)的研究，在1550nm的工作波段上達到了暗電流僅為25×10?2nA，新的結(jié)構(gòu)同時可以超越常規(guī)結(jié)構(gòu)的速度極限。

2018年，西南技術(shù)物理研究所和電子科技大學等單位相繼開展了Si-SPAD和InGaAs/InP SPAD焦平面組件技術(shù)研究，成功制作了64×1線性模型Si-APD陣列、32×32和64×64 Si-SPAD陣列，并應用于無人駕駛汽車等激光測距平臺；還開發(fā)了32×32和32×32 InGaAsP/InPSPAD陣列，并構(gòu)建了三維成像激光雷達。2021年，重慶光電技術(shù)研究所設計的一種基于InGaAsP/InP SPAD的單光子探測器模塊，在-30℃，探測效率為30.2%下，暗計數(shù)率僅為1.9kHz，在死時間為0.8μs時，后脈沖為10.4%。

超導納米線單光子探測器件

基于Si的APD和PMT器件大多只能實現(xiàn)在可見光波段單光子的有效探測；隨后發(fā)展起來的基于InGaAs/InP的SPD可以實現(xiàn)在近紅外波段實現(xiàn)探測，但其性能和可見光波段SPD相差較遠；隨后發(fā)展的超導SPD技術(shù)也因計數(shù)率低、時間抖動大和極低溫度要求等因素限制其廣泛應用，故亟需發(fā)展綜合性能優(yōu)異的新型探測技術(shù)。

2001年，Goltsman等人首先利用約5nm厚的超薄NbN帶制備了一條200nm寬的超導納米線，成功實現(xiàn)了可見光和近紅外的超快單光子探測和計數(shù)，為隨后超導納米線單光子探測器（SNSPD）的研究奠定了基礎。隨著對SNSPD的制備材料和探測原理的深入研究，SNSPD在近紅外波段的綜合性能指標明顯優(yōu)于其他種類的單光子探測器。2009年，Robert Hadield概述了SNSPD在探測技術(shù)方面取得的重大進展，以及這些發(fā)展對量子光學和量子信息領(lǐng)域產(chǎn)生的影響。2012年，Natarajan等人基于SNSPD探測原理，概述了SNSPD設備性能的改進；在實用制冷技術(shù)和光學耦合方案的研究上以及其應用領(lǐng)域做了系統(tǒng)性的介紹。2021年，Esmaeil Zadeh等人回顧了SNSPD的發(fā)展歷史、工作機制、制造方法、超導材料、讀出方案及應用發(fā)展，對SNSPD的低溫裝置集成化進行了展望。隨著SNSPD的不斷發(fā)展，其在1550nm工作波長的探測效率目前甚至超過了90%，遠超于其他種類探測器的探測效率。

國內(nèi)雖然在該領(lǐng)域的研究工作起步較晚，但是超導納米線單光子探測已經(jīng)走在世界的前列。2014年，南京大學超導電子學研究所研制的SNSPD在1550nm波段探測效率最高達到75%，暗計數(shù)小于100cps。2017年，中科院上海微系統(tǒng)所尤立星研究團隊在國際上首次采用NbN超薄薄膜成功實現(xiàn)了1550nm工作波長、光子探測效率超過90%的SNSPD。2019年，該團隊通過在介質(zhì)鏡上用雙層納米線取代單層納米線研制出的SNSPD器件，實現(xiàn)了光子響應概率和吸收效率同時提升。在0.8K條件下，該探測器在1590nm處的最大光子探測效率（PDE）為98%，在1530～1630nm波長范圍內(nèi)的光子探測效率達到95%以上。此外，在2.1K條件下，探測器在1550nm處的最大PDE為95%。表1為SNSPD研發(fā)代表性機構(gòu)及性能信息。

表1 SNSPD研發(fā)機構(gòu)及性能信息

超導納米線單光子探測器作為新興的光子探測器，其死時間極短，暗計數(shù)很小，用于單光子測距可以忽略。基于上述優(yōu)勢，其越來越廣泛地應用于激光測距和成像以及量子通信等領(lǐng)域。

單光子探測器件應用發(fā)展

量子通信應用

量子通信利用量子糾纏效應進行信息傳遞，是基于量子態(tài)進行傳輸?shù)摹，F(xiàn)有的量子通信實驗一般以光子為量子態(tài)載體，由電磁波攜帶信息，其表現(xiàn)形式即為光子態(tài)傳輸。單光子探測器從傳統(tǒng)的光電倍增管到半導體材料的硅管、銦鎵砷管再到超導單光子探測器，現(xiàn)已發(fā)展到可以適用于不同場合工作。

國內(nèi)單光子探測器在量子通信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破性進步，2020年，中科院與清華大學合作，基于高計數(shù)率低噪聲單光子探測器，突破遠距離獨立激光相位干涉技術(shù)，分別實現(xiàn)了500公里量級真實環(huán)境光纖的雙場量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）、相位匹配量子密鑰分發(fā)（PM-QKD）。2022年，中國科學技術(shù)大學郭光燦團隊，基于0.1274Hz暗記數(shù)且時間抖動小于50ps的超導探測器，改進四相位調(diào)制雙場協(xié)議，并進一步提升了獨立光源的鎖相穩(wěn)頻特性，將光纖雙場量子密鑰分發(fā)的安全傳輸距離延長至833km。

單光子探測器的探測效率、暗計數(shù)水平、后脈沖水平以及可達到的工作頻率等性能提升直接影響著量子通信系統(tǒng)。未來提高光子探測效率和降低暗計數(shù)率等探測器性能的改進和新的協(xié)議等理論發(fā)展，可有效提高QKD距離和密鑰率，促進QKD的發(fā)展。

單光子激光測距

激光測距主要包括飛行時間法（ToF）、干涉法和三角法。近年來隨著單光子探測器的發(fā)展，激光測距又衍生出一種新的測距方式，即單光子激光測距法。單光子激光測距系統(tǒng)中光子探測器可以對光子進行響應，從而實現(xiàn)更遠距離的測量。

國內(nèi)在激光測距領(lǐng)域也實現(xiàn)了精度和距離的進步。2017年，南京大學使用SNSPD激光雷達系統(tǒng)（1064nm波長，DCR小于100cps）在海霧分布特征下實現(xiàn)了180km直徑的遠距離測距區(qū)。2020年，中國科學院云南天文臺張海濤等將陣列超導納米線單光子探測器和多通道事件計時器等陣列探測技術(shù)應用于激光測距試驗系統(tǒng)中，成功對軌道高度為1000km、雷達截面積為0.045m2的小目標進行了精準探測。2021年，華東師范大學在單光子測距系統(tǒng)中引入?yún)⒖嘉恢?，有效抑制了系統(tǒng)延時漂移，光子飛行時間測量精度達到0.5ps，在2m測距距離處，單測距精度達到65μm。表2為不同探測器在單光子激光測距應用的性能信息。

表2 不同探測器在單光子激光測距應用性能信息

目前，應用于單光子測距系統(tǒng)的探測器有雪崩光電二極管和超導納米線單光子探測器等，根據(jù)具體工作場合環(huán)境使用合適性能的探測器，實現(xiàn)遠距離測距。死時間極短和低暗計數(shù)等性能優(yōu)化是未來改進單光子探測器的主要方向。

單光子成像

隨著自時間相關(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。在單光子探測器成像方面，國內(nèi)發(fā)展較快，同美國等國家已走在世界前列。

2021年，中國科學技術(shù)大學徐飛虎等利用InGaAs/InP SPAD探測器（20% PDE，210ps抖動，2.8kHz暗計數(shù)率，32ps時間分辨率）實現(xiàn)了在1.43km范圍內(nèi)的非視域成像和隱藏物體的實時跟蹤；同年，該研究團隊利用脈沖泵浦頻率上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)以及長波泵浦和時間域濾波方式，實現(xiàn)了1.4ps時間分辨率和5Hz暗計數(shù)率的近紅外單光子探測器，最終該實驗成功對視域外毫米級大小的字母實現(xiàn)了高精度非視域成像，為技術(shù)的實用化發(fā)展奠定了研究基礎。此外，徐飛虎團隊提出了一個緊湊的同軸單光子激光雷達系統(tǒng)，采用新的噪聲抑制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)三維成像高達201.5km，每像素只有0.44個信號光子。在超長范圍內(nèi)實現(xiàn)實用、低功率激光雷達的重要一步。圖5為該文章201.5km以上的遠程主動成像說明。

圖5 遠程主動單光子成像機理與效果圖

單光激光測距技術(shù)作為新興的激光測距方法，已經(jīng)廣泛應用于遠距離激光測距和單光子激光成像等領(lǐng)域，并且取得重大研究進展。

量子關(guān)聯(lián)成像

上節(jié)介紹的是基于光子飛行時間的測距成像，是一種非關(guān)聯(lián)成像。此外還有基于光子在時空域上相關(guān)性的關(guān)聯(lián)成像。量子關(guān)聯(lián)成像又稱為鬼成像或雙光子成像，鬼成像是光電流的關(guān)聯(lián)測量獲取物體圖像信息的新型成像方式。如圖6所示，鬼成像是基于雙光路的成像，其中一束光（信號光）作用于待成像物體，照射在一不具有空間分辨能力的桶探測器；另一束光（參考光）不作用于物體，直接照射在一個具有空間分辨能力的探測器上，將兩束光路信號符合運算得到光強總值，即可恢復物體的像。最早的關(guān)聯(lián)成像方案使用糾纏雙光子作為光源并且具有非定域成像、突破瑞利衍射極限等奇特性質(zhì)，因此受到了人們的廣泛關(guān)注。

圖6 鬼成像示意圖

鬼成像作為一種新型的成像技術(shù)，未來與激光雷達、光學加密、邊緣檢測、3D成像、高光譜、窄帶濾光和超衍射極限分辨等應用光學和成像技術(shù)領(lǐng)域的高精尖技術(shù)手段的結(jié)合可以衍生出了眾多有廣闊應用前景的研究方向。

總結(jié)

本文主要介紹了國內(nèi)外對單光子探測器件的研究和應用?，F(xiàn)階段，單光子探測器主要從光學結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)優(yōu)化、光學與器件的集成與小型化等器件設計和在遠距離探測成像和量子關(guān)聯(lián)成像等應用領(lǐng)域展開研究并取得了長足發(fā)展。對于傳統(tǒng)單光子器件比如雪崩二極管等，仍需要對其光譜響應范圍和暗計數(shù)率等技術(shù)難點進行深入研究。對于新興的SNSPD器件，其優(yōu)勢明顯，該探測器探測效率高、死時間極短、暗計數(shù)很小，具備優(yōu)秀的光電性能。但SNSPD嚴格的溫度要求限制了其應用，綜上所述，低溫裝置集成化、小型化、常溫低噪聲等性能是單光子探測器未來發(fā)展的重點和難點。隨著材料制備技術(shù)進步和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)展，單光子光電探測器未來將有望獲得更高光電性能，實現(xiàn)更為廣泛的應用。

審核編輯：劉清