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頻率上轉換單光子探測 385201.4超導轉變邊沿單光子探測器（TES） 4169501.5量子點單光子探測器（QD） 463011.6超導納米線單光子探測器（SNSPD） 52695參考文獻 61.1光電倍增管（PMT）光電倍增管（PhotomultiplierTube，簡稱PMT）[4,26]是一種對光信號十分敏感，可以實現光電轉換的特殊真空管。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）的結構圖PMT是根據光電發(fā)射效應和次級電子發(fā)射效應原理設計的探測器件。PMT工作時，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，重復該過程進行多次電子倍增，陽極收集最后一次的電子束轉化為光電流，輸出電壓信號，實現對光信號的檢測。除高靈敏度和低噪聲外，PMT還具有大探測面積，快響應速度，高增益以及寬譜響應等優(yōu)點，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]的原理是基于內光電效應。APD根據偏置電壓與擊穿電壓的關系分為蓋革模式和線性模式。使用APD進行單光子探測時，其工作在蓋革模式下，此時偏置電壓高于擊穿電壓。工作過程是：光子被內光電效應轉換為電子-空穴對，載流子對通過與晶格碰撞發(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的基礎上改進以實現單光子探測的目的，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，時間抖動低，時間分辨率高，探測效率在紫外和可見光波段高達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嚴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通訊波段實現單光子響應，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%。但無法解決暗計數率高達1kHz的問題。此外，由于InP倍增層中深能級密度遠遠大于Si材料，使得該種探測器后脈沖效應很高，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）的結構圖(a)Si-SPAD結構圖（b）InGaAs/InP-SPAD結構圖1.3頻率上轉換單光子探測頻率上轉換單光子探測（FrequencyUp-conversion）[29]原理是基于非線性光學晶體的和頻效應。具體工作過程是：首先將半導體單光子探測器無法探測的紅外波段的光子信號一一對應地，在頻率上轉換為與之前具有相同量子態(tài)的可見光波段的光子信號，之后利用性能較好的硅單光子雪崩光電二極管進行檢測，檢測過程如圖2.3所示[30]。圖2.3頻率上轉換技術工作過程示意圖頻率上轉換技術通過“鏡像”光子的方式實現單光子探測的技術十分先進，然而在實際應用時仍然存在許多問題難以解決。如變頻和像元串擾導致噪聲大、非線性晶體材料的限制、波導耦合損耗、極化靈敏度等等，此外如前所說，用于對其進行檢測的硅單光子雪崩光電二極管自身也有局限性，這種技術目前仍有比較大的發(fā)展空間。1.4超導轉變邊沿單光子探測器（TES）超導轉變邊沿單光子探測器（TransitionEdgeSensor，簡稱TES）是以具有極低超導轉變溫度的薄膜作為元件的探測器件，原理是超導薄膜在臨界溫度附近電阻隨溫度變化很大，其結構如圖2.4所示[31]。具體工作過程是，薄膜接收到光子后會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常用的超導薄膜是40nm厚的超導鎢薄膜，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，目前常用超導量子干涉儀(SQUID)讀出。圖2.4超導轉變邊沿單光子探測器（TES）結構示意圖TES的暗計數率很低，小于10-2Hz。TES在理論上可以實現完全探測，達到100%的探測效率，在實際應用中也達到了95%以上。此外TES輸出信號的幅度正比于吸收的光子數目，可以實現光子數分辨。其卓越的性能使其應用領域十分廣泛。但是TES響應時間較為緩慢，時間抖動較大，工作溫度要求低于100mK，對低溫環(huán)境要求較為嚴苛。1.5量子點單光子探測器（QD）量子點單光子探測器（QuantumDot，簡稱QD）的原理[32]是，光子入射到半導體材料上產生載流子后，其中空穴會被量子點接收。利用捕獲到空穴的量子點會改變二極管的特性，設計開發(fā)了兩種器件。一是如圖2.5（a）所示[7]的，在場效應管溝道里覆蓋一層量子點，吸收光子會改變晶體管溝道的電導率。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，這種器件吸收光子會改變隧穿電流。因此，電導率或隧穿電流的改變即反映了器件接收到光子信號。（a）（b）圖2.5基于量子點原理的器件結構示意圖（a）場效應管（b）共振隧道二極管量子點單光子探測器優(yōu)勢在于它暗計數率很低。且它具有一個特有的性質，可以實現自旋光探測，有望應用于量子存儲技術中。并且單個光子便能引起溝道電導率變化的特性，使這種技術具有光子數分辨能力。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用。而且由于該器件對溫度敏感無法在低溫條件下使用。1.6超導納米線單光子探測器（SNSPD）TES工作原理利用了超導薄膜臨界溫度附近溫度變化會引起阻抗突變的特性，與之類似，超導納米線單光子探測器（SuperconductingNanowireSinglePhotonDetector，簡稱SNSPD）是利用超導材料臨界電流密度附近的電流變化會引起阻抗突變的特性實現單光子檢測。工作過程是，接收到入射光子后會使流經器件的電流大于臨界電流，超導體會迅速顯示出電阻特性，因而通過檢測電阻或電壓的變化，便可對光子實現探測。SNSPD的性能極為優(yōu)異，在1550nm波段探測效率可達99.5%[35]，超高的探測效率使其在量子計算與領域有極大的應用空間。除此之外，SNSPD時間抖動最低可以低于3ps[9]，還具有響應帶寬寬，暗計數率低的特性。參考文獻[1] CovaS,LongoniA,AndreoniAJROSI.Towardspicosecondresolutionwithsingle‐photonavalanchediodes[J].1981,52(3):408-12.[2] TosiA,MoraAD,FreraAD,etal.AdvancedsinglephotoncountinginstrumentationforSPADs[J].2011,7945.[3] LivingstonWCJaO.EnhancementofPhotocathodeSensitivitybyTotalInternalReflectionasAppliedtoanImageTube[J].1966,5(8):1335-6.[4] HallenslebenS,TownsendPDJOL.Enhancedphotomultipliersensitivityinspectroscopysystems[J].2000,25(20):1511-3.[5] LangrockC,DiamantiE,RoussevRV,etal.Highlyefficientsingle-photondetectionatcommunicationwavelengthsbyuseofupconversioninreverse-proton-exchangedperiodicallypoledLiNbO3waveguides[J].2005,30(13):1725-7.[6] Marius,A.,Albota,etal.Efficientsingle-photoncountingat155μmbymeansoffrequencyupconversion[J].2004.[7] ShieldsAJ,OsullivanMP,FarrerI,etal.Detectionofsinglephotonsusingafield-effecttransistorgatedbyalayerofquantumdots[J].2000,76(25):3673-5.[8] Gol’tsman,G.N,Okunev,etal.Picosecondsuperconductingsingle-photonopticaldetector[J].2001.[9] HadfieldRH,HabifJL,SchlaferJ,etal.Quantumkeydistributionat1550nmwithtwinsuperconductingsingle-photondetectors[J].2006,89(24):175.[10] DaulerEA,RobinsonBS,KermanAJ,etal.1.25-Gbit/sphoton-countingopticalcommunicationsusingatwo-elementsuperconductingnanowiresinglephotondetector[J].2006,6372:637212--8.[11] RobinsonBS,KermanAJ,DaulerEA,etal.781Mbit/sphoton-countingopticalcommunicationsusingasuperconductingnanowiredetector[J].2006,31(4):444-6.[12] Boroson,Dm,Scozzafava,etal.TheLunarLaserCommunicationsDemonstration(LLCD)[M].IEEE,2009.[13] GemmellNR,MccarthyA,LiuB,etal.SingletOxygenluminescencedetectionwithafiber-coupledsuperconductingnanowiresingle-photondetector[J].2013,21(4):5005-13.[14] Weiss,ScienceSJ.FluorescenceSpectroscopyofSingleBiomolecules[J].1999,283(5408):1676-83.[15] RosenbergD,KermanAJ,MolnarRJ,etal.High-speedandhigh-efficiencysuperconductingnanowiresinglephotondetectorarray[J].2013,21(2):1440-7.[16] BorosonDM,RobinsonBS,MurphyDV,etal.OverviewandresultsoftheLunarLaserCommunicationDemonstration;proceedingsoftheSpieLase,F,2014[C].[17] UltrathinNbNfilmsuperconductingsingle-photondetectorarray%JJournalofPhysicsConference[J].2007,61:1081-5.[18] ZhaoQ,MccaughanA,BelleiF,etal.Superconducting-nanowiresingle-photon-detectorlineararray[J].2013,103(14):343-82.[19] DivochiyA,MarsiliF,BitauldD,etal.Superconductingnanowirephoton-number-resolvingdetectorattelecommunicationwavelengths[J].2008,2(6):302-6.[20] Zili,Zhou,Saeedeh,etal.Superconductingseriesnanowiredetectorcountinguptotwelvephotons[J].2014,22(3).[21] JahanmirinejadS,FrucciG,MattioliF,etal.Photon-numberresolvingdetectorbasedonaseriesarrayofsuperconductingnanowires[J].2012,101(7):135-74.[22] JahanmirinejadS,FioreAJOE.Proposalforasuperconductingphotonnumberresolvingdetectorwithlargedynamicrange[J].2012,20(5):5017.[23] TakesueH,NamSW,ZhangQ,etal.Quantumkeydistributionovera40-dBchannellossusingsuperconductingsingle-photondetectors[J].2007,1(17):5078-81.[24] PatelKA,DynesJF,LucamariniM,etal.Quantumkeydistributionfor10Gb/sdensewavelengthdivisionmultiplexingnetworks[J].2014,104(5):175-9.[25] 激光與光電子學進展趙J.單光子探測器及量子密鑰分配[J].2009,(09):55-9.[26] NakamuraK,FujitaY,OhishiK.Photomultiplier[Z].US.1997[27] 尹麗菊,陳錢,激光與光電子學進展張J.雪崩光電二極管的光譜響應特性[J].2010,(11):37-41.[28] 張蠟寶,趙清源,郟濤,etal.超導納米線單光子探測器;proceedingsofthe第十一屆全國超導薄膜和超導電子器件學術研討會,F,2010[C].[29] MaL,SlatteryO,TangXJPOS-TISFOE.Singlephotonfrequencyup-conversionanditsapplications[J].2012,521(2):69-94.[30] 申屠國樑,鄭名揚,中國科學:信息科學張J.上轉換單光子探測器最新進展[J].2014,44(3):389-93.[31] Eckart,NewsroomMJS.Makingkilopixelx-raymicrocalorimeterarraysareality[J].2009.[32] HeesSS,KardynalBE,SeeP,etal.EffectofInAsdotsonnoiseofquantumdotresonanttunnelingsingle-photondetectors[J].2006,89(15):145.[33] LiHW,KardynaBE,SeeP,etal.Quantumdotresonanttunnelingdiodefortelecommunicationwavelengthsinglephotonde