单光子探测器

第二节　单光子探测器

过去的几年内，量子信息技术得到了飞速的发展，并且已经成为物理学和信息学界关注的焦点。在这项技术中，单光子探测又是关键中的关键。

一、单光子探测器的原理及种类

（一）单光子探测器的原理

单光子探测是一种极微弱光探测法，它所探测的光电流比光电检测器本身在室温下的热噪声水平还要低，而用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。

单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光等领域有着广泛的应用。

单光子探测器是一种超低噪声器件，增强的灵敏度使其能够探测到光子。单光子探测器可以对单个光子进行探测和计数，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中，单光子探测器可以一展身手。利用类似于人眼杆状细胞的光探测机理，美国西北大学和伊利诺伊州大学的研究小组已经开发出了红外单光子聚焦载流子增强传感器。该装置有望在生物光子学、医学影像、非破坏性材料检查、国土安全与监测、军事视觉与导航、量子成像以及加密系统等方面取得广泛应用。由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一。

光电倍增管（后端）

（二）单光子探测器的种类

单光子探测器有许多种，主要包括光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）、增强型光电极管（IPD）、微通道板（MCP）、微球板（MSP）和真空雪崩光电二极管（VAPD）等。

在400～900纳米光波段，以硅APD为敏感元件的单光子探测器性能良好。但由于带隙宽度的限制，硅APD对波长1微米以上的光没有响应。在近红外光波段，目前性能最好的是基于铟镓砷APD的单光子探测器。总体而言，不论PMT还是APD，其性能还远不能满足量子信息技术等的需要。即使是传统的光纤通信和荧光光谱领域，对高性能的单光子探测器的需求也非常迫切。

1．PMT单光子探测器

PMT是利用光的外光电效应而制造的一种光电器件，主要由阴极、倍增电极和阳极构成。由于PMT在单光子探测领域和其他光电检测领域都有很广泛的应用，因此有不少国家和企业投入了大量的人力和物力进行研究。PMT具有增益高、光敏面积大、噪声小等优点；但是它体积庞大，量子效率低下，反向偏压高，仅能够工作在紫外和可见光谱范围内，抗外部磁场能力较差。

2．APD单光子探测器

APD不同于PMT，它是一种建立在内光电效应基础上的光电器件。APD具有内部增益和放大的作用，一个光子可以产生10～100对光生电子空穴对，从而能够在器件内部产生很大的增益。

目前常用的APD主要有三种，即硅APD、锗APD和铟镓砷APD。它们分别对应不同的波长。硅APD主要工作在400～1100纳米，锗APD在800～1550纳米，铟镓砷APD则在900～1700纳米。对于光谱响应重叠的部分，铟镓砷APD具有更低的噪声和更好的频率响应特性，因而价格也是三者中最高的。

APD单光子探测器具有量子效率高、功耗低、工作频谱范围大、体积小、工作电压较低等优点，但是同时也有增益低、噪声大、外围控制电路及热电制冷电路较复杂等缺点。

3．VAPD单光子探测器

针对PMT和APD的缺点，研究者开发出了VAPD单光子探测器，它是由光阴极和一个具有大光敏面积的半导体硅APD组成。

VAPD单光子探测器是一种PMT和APD相结合的产物，兼具两者的优点。这种单光子探测器的出现，对人们探索高技术领域起到了积极的推动作用。

二、超导单光子探测技术

传统的单光子探测器的性能已基本达到极限，很难再有本质性的提高。近几年，科学家提出了一种基于超导临界状态转换的超导单光子探测器，其性能比常规单光子探测器有了本质性的提高。

而且理论上，这种探测器的各项性能指标尚有提高的空间，特别是量子效率应该还有很大的提高空间。总之，虽然超导单光子探测技术的研究才刚刚开始，但是已经显示出远比常规单光子探测器优异的性能。一旦这种探测器投入使用，将在量子信息技术和微光测量等领域产生很大的影响，其意义可能远比我们今天估计的大。

三、单光子探测发展展望

目前国际上能够成套生产单光子探测器的国家主要为瑞士、中国、美国。

单光子探测和操控物理学，正在持续地推动分子电子学、表面等离子体激光学、红外光子学等新兴学科以及相关高新技术的发展。然而，单光子探测及操控的研究，尤其是红外单光子的探测目前面临着一些瓶颈亟待突破。鉴于光电探测材料与器件所受到的物理极限制约，当前国际上研制成的各种红外探测器件仅能工作在经典极限范畴。实现从经典极限向量子极限跨越是其发展趋势。

目前，一系列新的研究课题和一些崭新的概念相继涌现。例如，基于光子晶体的新奇效应等大幅增强光子与电子的耦合，基于单量子结构中新奇效应的量子放大大幅增强探测灵敏度。这些研究都取得了技术上的突破。

月球激光测距

月球激光测距代表了单光子探测技术的高峰，是国际激光测距界奋斗的目标。天文观测中常常遇到极微弱光信号的探测问题，望远镜接收到的光信号仅有很少的光子数甚至单光子，需要在噪声远远大于有用信息的不利情况下识别出有用的信号。受益于当代高科技的迅速发展，人们得以采用多种手段不断提高信号分离和探测能力。对于远距离人造地球卫星，可收到数个至数百个光子的回波，而月球反射的回波还不到一个光子。面对如此微弱的回波信号，必须采用高灵敏度的探测器，如APD、MCP等。

单光子探测领域的研究已经取得了很大的成就，但这还不能满足人们对高科技领域探索的需求。人们对单光子探测器将主要从两个方面去研究：一方面，研制有高灵敏度新型结构的光探测器；另一方面，研究和改进探测器的外围控制驱动技术，利用现有的探测器进行单光子探测。