單光子探測

單光子探測是一種檢測極微弱光的方法，在近紅外波段，雪崩光電二極管(APD)是探測極微弱光的主要器件之一。APD是一種能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換且具有內(nèi)部增益的高靈敏度光電探測器，其工作電壓不高，噪聲相對較小，非常適合極微弱光信號(如單個光子信號)的探測。

由于單光子探測是在高技術(shù)領(lǐng)域的重要地位，他已經(jīng)成為各發(fā)達國家光電子學(xué)重點研究的課題之一。在量子密鑰分發(fā)、天文測光、分子生物學(xué)、超高分辨率光譜學(xué)、非線形光學(xué)、光時域反射等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，都涉及到極微弱光信號的檢測問題。在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，量子信息的載體是單光子，如何將攜帶信息的單光子探測出來是實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)的關(guān)鍵。APD是實現(xiàn)單光子探測的核心器件。在單光子探測器設(shè)計中，為了開發(fā)APD的極限靈敏度，APD必須置于反向偏壓(Vb)稍高于雪崩擊穿電壓(Vbr)之上，即所謂的蓋格(Gerger Mode)模式下工作，使APD的雪崩增益M取較佳值MOPT，才能達到較高的探測效率。然而在蓋格模式時，APD的雪崩增益M不僅與環(huán)境溫度T還與其直流偏壓Vb的大小密切相關(guān)。

單光子探測器的現(xiàn)狀及其發(fā)展

對于可見光探測，光電倍增管有很好的響應(yīng)度，暗電流也非常小，很早就用于單光子計數(shù)，現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)比較成熟，市場上也有了不少類似的產(chǎn)品。然而隨著人們對紅.外光研究的不斷深入，特別是近年來量子通信技術(shù)、量子密碼術(shù)的研究不斷引起各國的重視，對紅外通信波段（850nm、1310nm和1550nm)單光子探測器的研究也就顯得尤為迫切。然而，在這個波段光電倍增管卻顯得無能為力，即使是很好的紅外光陰極-Si陰板，光譜響應(yīng)到1050nm就已經(jīng)截止了，僅這一點就排除了它在紅外通信波段的應(yīng)用。即便在850nm波段，考慮到光電倍增管工作電壓很高和使用維護的復(fù)雜程度，在實際應(yīng)用中人們還是選用Si-APD雪崩光電二極管?，F(xiàn)在對Si的研究已經(jīng)趨于成熟，Si一APD 也已經(jīng)有了比較好的制造工藝。國外已經(jīng)有公司開發(fā)出了專門針對850nm單光子探測的商用Si-APD。而在1310nm和1550nm波段，Si-APD已經(jīng)不能用丁進行單光子探測了，因此在這兩個波段一般選用InGaAs-APD，但由丁制造工藝的問題，目前還沒有專門針對單光子探測的InGaAs-APD。國外對這兩個波段的單光子探測的報道，一般都是關(guān)于利用現(xiàn)有針對光纖通信的商用APD，通過優(yōu)化外圍驅(qū)動電路，改善工作環(huán)境，使其達到單光子探測的目的。目前，國內(nèi)也已經(jīng)有了不少科研院所正在對這兩個波段的單光子探測器進行研究，為實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)技術(shù)（QKD）的實用化而做準(zhǔn)備。

單光子探測器

單光子探測器作為一種的單光子探測器，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于量子信息、激光雷達、深空通信等領(lǐng)域，有力推動了相關(guān)領(lǐng)域的科技發(fā)展。SNSPD器件主要有兩種光耦合方式，一種是垂直光耦合方式，光纖端面平行于SNSPD光敏面，光子垂直入射到納米線上，采用光學(xué)腔體或者反射鏡結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光耦合。

單光子探測將單光子激發(fā)的單個光電子信號放大，通過脈沖甄別和數(shù)字計數(shù)等技術(shù)識別提取極弱光電子信號，達到光電探測的超靈敏極限。率單光子測控由于其巨大科研價值和重要戰(zhàn)略地位已成為近年活躍的前沿領(lǐng)域之一。

單光子探測器可以對單個光子進行探測和計數(shù)，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)用中。利用單光子探測技術(shù)，可極大提高光譜測量的靈敏度和準(zhǔn)確性，靈敏度提高3-4個數(shù)量級，可實現(xiàn)對微量物質(zhì)成分的光譜分析，使化學(xué)成分檢測和安全檢查等系統(tǒng)達到超高靈敏度。單光子探測器（SPD）是一種超低噪聲器件，增強的靈敏度使其能夠探測到光的能量量子——光子。單光子探測將單光子激發(fā)的單個光電子信號放大，通過脈沖甄別和數(shù)字計數(shù)等技術(shù)識別提取極弱光電子信號，達到光電探測的超靈敏極限。