單光子探測器比較分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u30033單光子探測器比較分析概述 1243351.1光電倍增管（PMT） 1309601.2單光子雪崩光電二極管（SPAD） 2163011.3頻率上轉(zhuǎn)換單光子探測 385201.4超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊沿單光子探測器（TES） 4169501.5量子點(diǎn)單光子探測器（QD） 463011.6超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD） 52695參考文獻(xiàn) 61.1光電倍增管（PMT）光電倍增管（PhotomultiplierTube，簡稱PMT）[4,26]是一種對(duì)光信號(hào)十分敏感，可以實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的特殊真空管。如圖2.1所示，PMT主要的組成部分有光電陰極、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)、電子倍增管、收集極（又稱陽極）等，其可用于檢測紫外光、可見光及近紅外光譜范圍的電磁輻射能。圖2.1光電倍增管（PMT）的結(jié)構(gòu)圖PMT是根據(jù)光電發(fā)射效應(yīng)和次級(jí)電子發(fā)射效應(yīng)原理設(shè)計(jì)的探測器件。PMT工作時(shí)，在陰極和陽極上加上電壓，光子入射通過撞擊電極變成光電子，在聚焦系統(tǒng)的作用下光電子匯聚成束，快速撞擊二次發(fā)射極，再次釋放出大量電子，重復(fù)該過程進(jìn)行多次電子倍增，陽極收集最后一次的電子束轉(zhuǎn)化為光電流，輸出電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的檢測。除高靈敏度和低噪聲外，PMT還具有大探測面積，快響應(yīng)速度，高增益以及寬譜響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛用于生物熒光檢測、天文測量、核物理研究等方面。但由于其體積過大，反向偏壓過大，通常工作光譜范圍為紫外和可見光，無法滿足光纖通訊等要求。1.2單光子雪崩光電二極管（SPAD）雪崩二極管（AvalanchePhotodiode，簡稱APD）[1,2]的原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。APD根據(jù)偏置電壓與擊穿電壓的關(guān)系分為蓋革模式和線性模式。使用APD進(jìn)行單光子探測時(shí)，其工作在蓋革模式下，此時(shí)偏置電壓高于擊穿電壓。工作過程是：光子被內(nèi)光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電子-空穴對(duì)，載流子對(duì)通過與晶格碰撞發(fā)生倍增，形成二次光電流。單光子雪崩二極管（SinglePhotoAvalancheDiode，簡稱SPAD）是在APD的基礎(chǔ)上改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)單光子探測的目的，主要分為Si-SPAD和InGaAs/InP-SPAD兩種，如圖2.2所示[27,28]。Si-SPAD探測帶寬在400~1000nm，時(shí)間抖動(dòng)低，時(shí)間分辨率高，探測效率在紫外和可見光波段高達(dá)65%，探測性能十分優(yōu)異。但是在高于1000nm的波段，Si材料禁帶寬度寬的特點(diǎn)嚴(yán)重限制了器件的探測效率，探測效率甚至小于1%。為在1310nm和1550nm通訊波段實(shí)現(xiàn)單光子響應(yīng)，考慮用帶隙更低的材料替代Si，于是引入了InGaAs材料，將探測效率提高到了25%。但無法解決暗計(jì)數(shù)率高達(dá)1kHz的問題。此外，由于InP倍增層中深能級(jí)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Si材料，使得該種探測器后脈沖效應(yīng)很高，這意味著InGaAs/InP-SPAD的工作狀態(tài)局限在門控模式下，因此目前僅應(yīng)用在量子密鑰分配等特定場景。（a）（b）圖2.2單光子雪崩光電二極管（SPAD）的結(jié)構(gòu)圖(a)Si-SPAD結(jié)構(gòu)圖（b）InGaAs/InP-SPAD結(jié)構(gòu)圖1.3頻率上轉(zhuǎn)換單光子探測頻率上轉(zhuǎn)換單光子探測（FrequencyUp-conversion）[29]原理是基于非線性光學(xué)晶體的和頻效應(yīng)。具體工作過程是：首先將半導(dǎo)體單光子探測器無法探測的紅外波段的光子信號(hào)一一對(duì)應(yīng)地，在頻率上轉(zhuǎn)換為與之前具有相同量子態(tài)的可見光波段的光子信號(hào)，之后利用性能較好的硅單光子雪崩光電二極管進(jìn)行檢測，檢測過程如圖2.3所示[30]。圖2.3頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)工作過程示意圖頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)通過“鏡像”光子的方式實(shí)現(xiàn)單光子探測的技術(shù)十分先進(jìn)，然而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍然存在許多問題難以解決。如變頻和像元串?dāng)_導(dǎo)致噪聲大、非線性晶體材料的限制、波導(dǎo)耦合損耗、極化靈敏度等等，此外如前所說，用于對(duì)其進(jìn)行檢測的硅單光子雪崩光電二極管自身也有局限性，這種技術(shù)目前仍有比較大的發(fā)展空間。1.4超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊沿單光子探測器（TES）超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊沿單光子探測器（TransitionEdgeSensor，簡稱TES）是以具有極低超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的薄膜作為元件的探測器件，原理是超導(dǎo)薄膜在臨界溫度附近電阻隨溫度變化很大，其結(jié)構(gòu)如圖2.4所示[31]。具體工作過程是，薄膜接收到光子后會(huì)使原來低于臨界溫度的溫度高于臨界溫度，因此薄膜獲得電阻特性，引起阻抗值的變化。目前，TES常用的超導(dǎo)薄膜是40nm厚的超導(dǎo)鎢薄膜，臨界溫度為80mK。TES的阻抗很低，所以其讀出也需要使用阻抗和噪聲較低的放大器，目前常用超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)讀出。圖2.4超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊沿單光子探測器（TES）結(jié)構(gòu)示意圖TES的暗計(jì)數(shù)率很低，小于10-2Hz。TES在理論上可以實(shí)現(xiàn)完全探測，達(dá)到100%的探測效率，在實(shí)際應(yīng)用中也達(dá)到了95%以上。此外TES輸出信號(hào)的幅度正比于吸收的光子數(shù)目，可以實(shí)現(xiàn)光子數(shù)分辨。其卓越的性能使其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。但是TES響應(yīng)時(shí)間較為緩慢，時(shí)間抖動(dòng)較大，工作溫度要求低于100mK，對(duì)低溫環(huán)境要求較為嚴(yán)苛。1.5量子點(diǎn)單光子探測器（QD）量子點(diǎn)單光子探測器（QuantumDot，簡稱QD）的原理[32]是，光子入射到半導(dǎo)體材料上產(chǎn)生載流子后，其中空穴會(huì)被量子點(diǎn)接收。利用捕獲到空穴的量子點(diǎn)會(huì)改變二極管的特性，設(shè)計(jì)開發(fā)了兩種器件。一是如圖2.5（a）所示[7]的，在場效應(yīng)管溝道里覆蓋一層量子點(diǎn)，吸收光子會(huì)改變晶體管溝道的電導(dǎo)率。二是如圖2.5（b）所示的[33]，在共振隧道二極管里增加量子點(diǎn)，這種器件吸收光子會(huì)改變隧穿電流。因此，電導(dǎo)率或隧穿電流的改變即反映了器件接收到光子信號(hào)。（a）（b）圖2.5基于量子點(diǎn)原理的器件結(jié)構(gòu)示意圖（a）場效應(yīng)管（b）共振隧道二極管量子點(diǎn)單光子探測器優(yōu)勢在于它暗計(jì)數(shù)率很低。且它具有一個(gè)特有的性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)自旋光探測，有望應(yīng)用于量子存儲(chǔ)技術(shù)中。并且單個(gè)光子便能引起溝道電導(dǎo)率變化的特性，使這種技術(shù)具有光子數(shù)分辨能力。但目前第一方案的器件在805nm波段的探測效率可達(dá)68%[34]，但第二方案器件在550nm處探測效率僅有12%。此外，受到GaAs材料帶隙的限制，其所吸收的光波長局限在1000nm以下，因此在通訊波段無法應(yīng)用。而且由于該器件對(duì)溫度敏感無法在低溫條件下使用。1.6超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）TES工作原理利用了超導(dǎo)薄膜臨界溫度附近溫度變化會(huì)引起阻抗突變的特性，與之類似，超導(dǎo)納米線單光子探測器（SuperconductingNanowireSinglePhotonDetector，簡稱SNSPD）是利用超導(dǎo)材料臨界電流密度附近的電流變化會(huì)引起阻抗突變的特性實(shí)現(xiàn)單光子檢測。工作過程是，接收到入射光子后會(huì)使流經(jīng)器件的電流大于臨界電流，超導(dǎo)體會(huì)迅速顯示出電阻特性，因而通過檢測電阻或電壓的變化，便可對(duì)光子實(shí)現(xiàn)探測。SNSPD的性能極為優(yōu)異，在1550nm波段探測效率可達(dá)99.5%[35]，超高的探測效率使其在量子計(jì)算與領(lǐng)域有極大的應(yīng)用空間。除此之外，SNSPD時(shí)間抖動(dòng)最低可以低于3ps[9]，還具有響應(yīng)帶寬寬，暗計(jì)數(shù)率低的特性。參考文獻(xiàn)[1] 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