单光子探测器研究现状与发展

单光子探测器（SPD）的研制是量子光学和量子信息领域的一个重要研究课题。单光子探测器突破了传统探测器只针对振幅进行采样的局限，同时对光波或者光子的偏振、波矢、位相等特性进行探测，具有可保持测量信号完整性、理论量子效率高、工作电压低、探测灵敏度高等优点，同时具有室温单光子探测的潜力。

该文章介绍了单光子探测器的工作机理，总结对比了光电倍增管、雪崩光电二极管等传统单光子探测器以及基于新型二维材料的雪崩光电二极管、超导纳米线单光子探测器等新型单光子光电探测器的优势与不足，并对其发展前景进行了展望。此外还介绍了单光子探测器在量子通信、激光测距和成像等领域的应用。

单光子探测器原理、种类和评价指标介绍

单光子探测原理

单光子探测器依靠其超高的灵敏度可以对单个光子进行检测和计数，主要功能是将光信号转换为电信号。该器件的探测原理主要基于光电效应进行探测的。光电效应是光量子作用于探测器件后，原子或者分子的电子状态随之发生改变，通过对电子状态变化的测量，从而实现对光子的测量。光电效应可分为内光电效应和外光电效应，内光电效应是由于光量子作用引发电化学性质变化的方式；外光电效应则是探测元件吸收光子并激发逸出电子的方式。

单光子探测器种类

目前，常用的单光子探测器件主要有光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）及超导纳米线单光子探测（SNSPD）等。其中，光电倍增管和雪崩光电二极管都属于传统单光子技术的光电器件。光电倍增管由光窗、光电阴极、聚焦电极、倍增极及阳极等部分组成，结构如图1所示。

雪崩光电二极管是具有内部光电增益的半导体光电子器件，利用载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号，如图2所示。近年来，随着光电探测技术以及新型结构的发展，出现了基于量子点的单光子探测器、可见光子计数器、基于频率上转换技术的单光子探测器和超导单光子探测器等多种新颖光电探测器。

图1 雪崩二极管的典型结构

图2 雪崩光电二极管的典型结构

主要评价指标

单光子探测器的评价指标主要有光子探测效率、暗计数率、死时间和时间抖动等。另外，光敏面尺寸、光子数分辨能力、光谱响应波长等也是需要考虑的性能参数。

国内外探测器件发展现状

雪崩单光子探测器

目前，雪崩单光子探测器件发展成熟，国外已经有许多公司研制出此类单光子探测器产品，比如美国的Princeton Lightwave公司研制的SPAD系列以及日本滨松公司的系列产品。图3为滨松公司生产的硅APD、铟镓砷APD、硅APD阵列系列样图及其光谱响应曲线图。

硅APD在弱光检测中具有高速、高灵敏度特点，主要工作在波长为400～1100nm范围之间，且具备增益机制。铟镓砷APD则工作在900～1700nm之间，具备低噪声和更高截止频率等特点。硅APD阵列则具有低噪声和短波范围高灵敏度的特点。

图3 滨松公司生产的APD系列样图及其光谱响应曲线图

在国内，对于雪崩光电二极管的研究起步较晚，南京大学宽禁带半导体器件与微纳光电实验室在国内首先实现了以W碳化硅和Ⅲ族碳化物等半导体材料制作的SiC-APD为核心器件的单光子探测器，其具备低暗计数率、高探测效率和可达纳秒量级的响应速度的优异特点，此外可实现波长为210～370nm范围之间，击穿电压为170V等工作特性，如图4所示。

图4 SiC-APD器件的雪崩增益特性

上海技术物理研究所近几年的APD单光子探测器研究上取得了一系列的突破。成功研制了在1550nm的工作波段上实现探测效率10%，门脉冲频率1GHz，暗计数率24kHz，暗电流仅为0.47nA的盖格模式单光子探测器；该探测器在1064nm波段上实现探测率30%，暗计数率8kHz，死时间80ns下脉冲概率达到14%。同时该单位还开展了量子型单光子探测器件的研究，在77K温度下实现了近红外光子数分辨的能力，并在常规的APD器件基础上开展微纳调控新结构的研究，在1550nm的工作波段上达到了暗电流仅为25×10⁻²nA，新的结构同时可以超越常规结构的速度极限。

2018年，西南技术物理研究所和电子科技大学等单位相继开展了Si-SPAD和InGaAs/InP SPAD焦平面组件技术研究，成功制作了64×1线性模型Si-APD阵列、32×32和64×64 Si-SPAD阵列，并应用于无人驾驶汽车等激光测距平台；还开发了32×32和32×32 InGaAsP/InPSPAD阵列，并构建了三维成像激光雷达。2021年，重庆光电技术研究所设计的一种基于InGaAsP/InP SPAD的单光子探测器模块，在-30℃，探测效率为30.2%下，暗计数率仅为1.9kHz，在死时间为0.8μs时，后脉冲为10.4%。

超导纳米线单光子探测器件

基于Si的APD和PMT器件大多只能实现在可见光波段单光子的有效探测；随后发展起来的基于InGaAs/InP的SPD可以实现在近红外波段实现探测，但其性能和可见光波段SPD相差较远；随后发展的超导SPD技术也因计数率低、时间抖动大和极低温度要求等因素限制其广泛应用，故亟需发展综合性能优异的新型探测技术。

2001年，Goltsman等人首先利用约5nm厚的超薄NbN带制备了一条200nm宽的超导纳米线，成功实现了可见光和近红外的超快单光子探测和计数，为随后超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的研究奠定了基础。随着对SNSPD的制备材料和探测原理的深入研究，SNSPD在近红外波段的综合性能指标明显优于其他种类的单光子探测器。2009年，Robert Hadield概述了SNSPD在探测技术方面取得的重大进展，以及这些发展对量子光学和量子信息领域产生的影响。2012年，Natarajan等人基于SNSPD探测原理，概述了SNSPD设备性能的改进；在实用制冷技术和光学耦合方案的研究上以及其应用领域做了系统性的介绍。2021年，Esmaeil Zadeh等人回顾了SNSPD的发展历史、工作机制、制造方法、超导材料、读出方案及应用发展，对SNSPD的低温装置集成化进行了展望。随着SNSPD的不断发展，其在1550nm工作波长的探测效率目前甚至超过了90%，远超于其他种类探测器的探测效率。

国内虽然在该领域的研究工作起步较晚，但是超导纳米线单光子探测已经走在世界的前列。2014年，南京大学超导电子学研究所研制的SNSPD在1550nm波段探测效率最高达到75%，暗计数小于100cps。2017年，中科院上海微系统所尤立星研究团队在国际上首次采用NbN超薄薄膜成功实现了1550nm工作波长、光子探测效率超过90%的SNSPD。2019年，该团队通过在介质镜上用双层纳米线取代单层纳米线研制出的SNSPD器件，实现了光子响应概率和吸收效率同时提升。在0.8K条件下，该探测器在1590nm处的最大光子探测效率（PDE）为98%，在1530～1630nm波长范围内的光子探测效率达到95%以上。此外，在2.1K条件下，探测器在1550nm处的最大PDE为95%。表1为SNSPD研发代表性机构及性能信息。

表1 SNSPD研发机构及性能信息

超导纳米线单光子探测器作为新兴的光子探测器，其死时间极短，暗计数很小，用于单光子测距可以忽略。基于上述优势，其越来越广泛地应用于激光测距和成像以及量子通信等领域。

单光子探测器件应用发展

量子通信应用

量子通信利用量子纠缠效应进行信息传递，是基于量子态进行传输的。现有的量子通信实验一般以光子为量子态载体，由电磁波携带信息，其表现形式即为光子态传输。单光子探测器从传统的光电倍增管到半导体材料的硅管、铟镓砷管再到超导单光子探测器，现已发展到可以适用于不同场合工作。

国内单光子探测器在量子通信领域实现了突破性进步，2020年，中科院与清华大学合作，基于高计数率低噪声单光子探测器，突破远距离独立激光相位干涉技术，分别实现了500公里量级真实环境光纤的双场量子密钥分发（TF-QKD）、相位匹配量子密钥分发（PM-QKD）。2022年，中国科学技术大学郭光灿团队，基于0.1274Hz暗记数且时间抖动小于50ps的超导探测器，改进四相位调制双场协议，并进一步提升了独立光源的锁相稳频特性，将光纤双场量子密钥分发的安全传输距离延长至833km。

单光子探测器的探测效率、暗计数水平、后脉冲水平以及可达到的工作频率等性能提升直接影响着量子通信系统。未来提高光子探测效率和降低暗计数率等探测器性能的改进和新的协议等理论发展，可有效提高QKD距离和密钥率，促进QKD的发展。

单光子激光测距

激光测距主要包括飞行时间法（ToF）、干涉法和三角法。近年来随着单光子探测器的发展，激光测距又衍生出一种新的测距方式，即单光子激光测距法。单光子激光测距系统中光子探测器可以对光子进行响应，从而实现更远距离的测量。

国内在激光测距领域也实现了精度和距离的进步。2017年，南京大学使用SNSPD激光雷达系统（1064nm波长，DCR小于100cps）在海雾分布特征下实现了180km直径的远距离测距区。2020年，中国科学院云南天文台张海涛等将阵列超导纳米线单光子探测器和多通道事件计时器等阵列探测技术应用于激光测距试验系统中，成功对轨道高度为1000km、雷达截面积为0.045m²的小目标进行了精准探测。2021年，华东师范大学在单光子测距系统中引入参考位置，有效抑制了系统延时漂移，光子飞行时间测量精度达到0.5ps，在2m测距距离处，单测距精度达到65μm。表2为不同探测器在单光子激光测距应用的性能信息。

表2 不同探测器在单光子激光测距应用性能信息

目前，应用于单光子测距系统的探测器有雪崩光电二极管和超导纳米线单光子探测器等，根据具体工作场合环境使用合适性能的探测器，实现远距离测距。死时间极短和低暗计数等性能优化是未来改进单光子探测器的主要方向。

单光子成像

随着自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。在单光子探测器成像方面，国内发展较快，同美国等国家已走在世界前列。

2021年，中国科学技术大学徐飞虎等利用InGaAs/InP SPAD探测器（20% PDE，210ps抖动，2.8kHz暗计数率，32ps时间分辨率）实现了在1.43km范围内的非视域成像和隐藏物体的实时跟踪；同年，该研究团队利用脉冲泵浦频率上转换探测技术以及长波泵浦和时间域滤波方式，实现了1.4ps时间分辨率和5Hz暗计数率的近红外单光子探测器，最终该实验成功对视域外毫米级大小的字母实现了高精度非视域成像，为技术的实用化发展奠定了研究基础。此外，徐飞虎团队提出了一个紧凑的同轴单光子激光雷达系统，采用新的噪声抑制技术能够实现三维成像高达201.5km，每像素只有0.44个信号光子。在超长范围内实现实用、低功率激光雷达的重要一步。图5为该文章201.5km以上的远程主动成像说明。

图5 远程主动单光子成像机理与效果图

单光激光测距技术作为新兴的激光测距方法，已经广泛应用于远距离激光测距和单光子激光成像等领域，并且取得重大研究进展。

量子关联成像

上节介绍的是基于光子飞行时间的测距成像，是一种非关联成像。此外还有基于光子在时空域上相关性的关联成像。量子关联成像又称为鬼成像或双光子成像，鬼成像是光电流的关联测量获取物体图像信息的新型成像方式。如图6所示，鬼成像是基于双光路的成像，其中一束光（信号光）作用于待成像物体，照射在一不具有空间分辨能力的桶探测器；另一束光（参考光）不作用于物体，直接照射在一个具有空间分辨能力的探测器上，将两束光路信号符合运算得到光强总值，即可恢复物体的像。最早的关联成像方案使用纠缠双光子作为光源并且具有非定域成像、突破瑞利衍射极限等奇特性质，因此受到了人们的广泛关注。

图6 鬼成像示意图

鬼成像作为一种新型的成像技术，未来与激光雷达、光学加密、边缘检测、3D成像、高光谱、窄带滤光和超衍射极限分辨等应用光学和成像技术领域的高精尖技术手段的结合可以衍生出了众多有广阔应用前景的研究方向。

总结

本文主要介绍了国内外对单光子探测器件的研究和应用。现阶段，单光子探测器主要从光学结构、性能参数优化、光学与器件的集成与小型化等器件设计和在远距离探测成像和量子关联成像等应用领域展开研究并取得了长足发展。对于传统单光子器件比如雪崩二极管等，仍需要对其光谱响应范围和暗计数率等技术难点进行深入研究。对于新兴的SNSPD器件，其优势明显，该探测器探测效率高、死时间极短、暗计数很小，具备优秀的光电性能。但SNSPD严格的温度要求限制了其应用，综上所述，低温装置集成化、小型化、常温低噪声等性能是单光子探测器未来发展的重点和难点。随着材料制备技术进步和器件结构优化发展，单光子光电探测器未来将有望获得更高光电性能，实现更为广泛的应用。