單光子探測(cè)

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

由于單光子探測(cè)是在高技術(shù)領(lǐng)域的重要地位，他已經(jīng)成為各發(fā)達(dá)國(guó)家光電子學(xué)重點(diǎn)研究的課題之一。在量子密鑰分發(fā)、天文測(cè)光、分子生物學(xué)、超高分辨率光譜學(xué)、非線形光學(xué)、光時(shí)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(hào)的檢測(cè)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(cè)出來是實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)的關(guān)鍵。APD是實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)的核心器件。在單光子探測(cè)器設(shè)計(jì)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(dá)到較高的探測(cè)效率。然而在蓋格模式時(shí)，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(cè)器的現(xiàn)狀及其發(fā)展

對(duì)于可見光探測(cè)，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(jì)數(shù)，現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)比較成熟，市場(chǎng)上也有了不少類似的產(chǎn)品。然而隨著人們對(duì)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(guó)的重視，對(duì)紅外通信波段（850nm、1310nm和1550nm)單光子探測(cè)器的研究也就顯得尤為迫切。然而，在這個(gè)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(diǎn)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(hù)的復(fù)雜程度，在實(shí)際應(yīng)用中人們還是選用Si-APD雪崩光電二極管。現(xiàn)在對(duì)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(guó)外已經(jīng)有公司開發(fā)出了專門針對(duì)850nm單光子探測(cè)的商用Si-APD。而在1310nm和1550nm波段，Si-APD已經(jīng)不能用丁進(jìn)行單光子探測(cè)了，因此在這兩個(gè)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(duì)單光子探測(cè)的InGaAs-APD。國(guó)外對(duì)這兩個(gè)波段的單光子探測(cè)的報(bào)道，一般都是關(guān)于利用現(xiàn)有針對(duì)光纖通信的商用APD，通過優(yōu)化外圍驅(qū)動(dòng)電路，改善工作環(huán)境，使其達(dá)到單光子探測(cè)的目的。目前，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有了不少科研院所正在對(duì)這兩個(gè)波段的單光子探測(cè)器進(jìn)行研究，為實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)技術(shù)（QKD）的實(shí)用化而做準(zhǔn)備。

單光子探測(cè)器

單光子探測(cè)器作為一種的單光子探測(cè)器，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于量子信息、激光雷達(dá)、深空通信等領(lǐng)域，有力推動(dòng)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(shí)現(xiàn)光耦合。

單光子探測(cè)將單光子激發(fā)的單個(gè)光電子信號(hào)放大，通過脈沖甄別和數(shù)字計(jì)數(shù)等技術(shù)識(shí)別提取極弱光電子信號(hào)，達(dá)到光電探測(cè)的超靈敏極限。率單光子測(cè)控由于其巨大科研價(jià)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(cè)器可以對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行探測(cè)和計(jì)數(shù)，在許多可獲得的信號(hào)強(qiáng)度僅為幾個(gè)光子能量級(jí)的新興應(yīng)用中。利用單光子探測(cè)技術(shù)，可極大提高光譜測(cè)量的靈敏度和準(zhǔn)確性，靈敏度提高3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微量物質(zhì)成分的光譜分析，使化學(xué)成分檢測(cè)和安全檢查等系統(tǒng)達(dá)到超高靈敏度。單光子探測(cè)器（SPD）是一種超低噪聲器件，增強(qiáng)的靈敏度使其能夠探測(cè)到光的能量量子——光子。單光子探測(cè)將單光子激發(fā)的單個(gè)光電子信號(hào)放大，通過脈沖甄別和數(shù)字計(jì)數(shù)等技術(shù)識(shí)別提取極弱光電子信號(hào)，達(dá)到光電探測(cè)的超靈敏極限。