單光子探測器研究現(xiàn)狀與發(fā)展

單光子探測器（SPD）的研制是量子光學(xué)和量子信息領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。單光子探測器突破了傳統(tǒng)探測器只針對振幅進(jìn)行采樣的局限，同時(shí)對光波或者光子的偏振、波矢、位相等特性進(jìn)行探測，具有可保持測量信號完整性、理論量子效率高、工作電壓低、探測靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有室溫單光子探測的潛力。

該文章介紹了單光子探測器的工作機(jī)理，總結(jié)對比了光電倍增管、雪崩光電二極管等傳統(tǒng)單光子探測器以及基于新型二維材料的雪崩光電二極管、超導(dǎo)納米線單光子探測器等新型單光子光電探測器的優(yōu)勢與不足，并對其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。此外還介紹了單光子探測器在量子通信、激光測距和成像等領(lǐng)域的應(yīng)用。

單光子探測器原理、種類和評價(jià)指標(biāo)介紹

單光子探測原理

單光子探測器依靠其超高的靈敏度可以對單個(gè)光子進(jìn)行檢測和計(jì)數(shù)，主要功能是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。該器件的探測原理主要基于光電效應(yīng)進(jìn)行探測的。光電效應(yīng)是光量子作用于探測器件后，原子或者分子的電子狀態(tài)隨之發(fā)生改變，通過對電子狀態(tài)變化的測量，從而實(shí)現(xiàn)對光子的測量。光電效應(yīng)可分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)是由于光量子作用引發(fā)電化學(xué)性質(zhì)變化的方式；外光電效應(yīng)則是探測元件吸收光子并激發(fā)逸出電子的方式。

單光子探測器種類

目前，常用的單光子探測器件主要有光電倍增管（PMT）、雪崩光電二極管（APD）及超導(dǎo)納米線單光子探測（SNSPD）等。其中，光電倍增管和雪崩光電二極管都屬于傳統(tǒng)單光子技術(shù)的光電器件。光電倍增管由光窗、光電陰極、聚焦電極、倍增極及陽極等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

雪崩光電二極管是具有內(nèi)部光電增益的半導(dǎo)體光電子器件，利用載流子的雪崩倍增效應(yīng)來放大光電信號，如圖2所示。近年來，隨著光電探測技術(shù)以及新型結(jié)構(gòu)的發(fā)展，出現(xiàn)了基于量子點(diǎn)的單光子探測器、可見光子計(jì)數(shù)器、基于頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)的單光子探測器和超導(dǎo)單光子探測器等多種新穎光電探測器。

圖1 雪崩二極管的典型結(jié)構(gòu)

圖2 雪崩光電二極管的典型結(jié)構(gòu)

主要評價(jià)指標(biāo)

單光子探測器的評價(jià)指標(biāo)主要有光子探測效率、暗計(jì)數(shù)率、死時(shí)間和時(shí)間抖動(dòng)等。另外，光敏面尺寸、光子數(shù)分辨能力、光譜響應(yīng)波長等也是需要考慮的性能參數(shù)。

國內(nèi)外探測器件發(fā)展現(xiàn)狀

雪崩單光子探測器

目前，雪崩單光子探測器件發(fā)展成熟，國外已經(jīng)有許多公司研制出此類單光子探測器產(chǎn)品，比如美國的Princeton Lightwave公司研制的SPAD系列以及日本濱松公司的系列產(chǎn)品。圖3為濱松公司生產(chǎn)的硅APD、銦鎵砷APD、硅APD陣列系列樣圖及其光譜響應(yīng)曲線圖。

硅APD在弱光檢測中具有高速、高靈敏度特點(diǎn)，主要工作在波長為400～1100nm范圍之間，且具備增益機(jī)制。銦鎵砷APD則工作在900～1700nm之間，具備低噪聲和更高截止頻率等特點(diǎn)。硅APD陣列則具有低噪聲和短波范圍高靈敏度的特點(diǎn)。

圖3 濱松公司生產(chǎn)的APD系列樣圖及其光譜響應(yīng)曲線圖

在國內(nèi)，對于雪崩光電二極管的研究起步較晚，南京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體器件與微納光電實(shí)驗(yàn)室在國內(nèi)首先實(shí)現(xiàn)了以W碳化硅和Ⅲ族碳化物等半導(dǎo)體材料制作的SiC-APD為核心器件的單光子探測器，其具備低暗計(jì)數(shù)率、高探測效率和可達(dá)納秒量級的響應(yīng)速度的優(yōu)異特點(diǎn)，此外可實(shí)現(xiàn)波長為210～370nm范圍之間，擊穿電壓為170V等工作特性，如圖4所示。

圖4 SiC-APD器件的雪崩增益特性

上海技術(shù)物理研究所近幾年的APD單光子探測器研究上取得了一系列的突破。成功研制了在1550nm的工作波段上實(shí)現(xiàn)探測效率10%，門脈沖頻率1GHz，暗計(jì)數(shù)率24kHz，暗電流僅為0.47nA的蓋格模式單光子探測器；該探測器在1064nm波段上實(shí)現(xiàn)探測率30%，暗計(jì)數(shù)率8kHz，死時(shí)間80ns下脈沖概率達(dá)到14%。同時(shí)該單位還開展了量子型單光子探測器件的研究，在77K溫度下實(shí)現(xiàn)了近紅外光子數(shù)分辨的能力，并在常規(guī)的APD器件基礎(chǔ)上開展微納調(diào)控新結(jié)構(gòu)的研究，在1550nm的工作波段上達(dá)到了暗電流僅為25×10?2nA，新的結(jié)構(gòu)同時(shí)可以超越常規(guī)結(jié)構(gòu)的速度極限。

2018年，西南技術(shù)物理研究所和電子科技大學(xué)等單位相繼開展了Si-SPAD和InGaAs/InP SPAD焦平面組件技術(shù)研究，成功制作了64×1線性模型Si-APD陣列、32×32和64×64 Si-SPAD陣列，并應(yīng)用于無人駕駛汽車等激光測距平臺；還開發(fā)了32×32和32×32 InGaAsP/InPSPAD陣列，并構(gòu)建了三維成像激光雷達(dá)。2021年，重慶光電技術(shù)研究所設(shè)計(jì)的一種基于InGaAsP/InP SPAD的單光子探測器模塊，在-30℃，探測效率為30.2%下，暗計(jì)數(shù)率僅為1.9kHz，在死時(shí)間為0.8μs時(shí)，后脈沖為10.4%。

超導(dǎo)納米線單光子探測器件

基于Si的APD和PMT器件大多只能實(shí)現(xiàn)在可見光波段單光子的有效探測；隨后發(fā)展起來的基于InGaAs/InP的SPD可以實(shí)現(xiàn)在近紅外波段實(shí)現(xiàn)探測，但其性能和可見光波段SPD相差較遠(yuǎn)；隨后發(fā)展的超導(dǎo)SPD技術(shù)也因計(jì)數(shù)率低、時(shí)間抖動(dòng)大和極低溫度要求等因素限制其廣泛應(yīng)用，故亟需發(fā)展綜合性能優(yōu)異的新型探測技術(shù)。

2001年，Goltsman等人首先利用約5nm厚的超薄NbN帶制備了一條200nm寬的超導(dǎo)納米線，成功實(shí)現(xiàn)了可見光和近紅外的超快單光子探測和計(jì)數(shù)，為隨后超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）的研究奠定了基礎(chǔ)。隨著對SNSPD的制備材料和探測原理的深入研究，SNSPD在近紅外波段的綜合性能指標(biāo)明顯優(yōu)于其他種類的單光子探測器。2009年，Robert Hadield概述了SNSPD在探測技術(shù)方面取得的重大進(jìn)展，以及這些發(fā)展對量子光學(xué)和量子信息領(lǐng)域產(chǎn)生的影響。2012年，Natarajan等人基于SNSPD探測原理，概述了SNSPD設(shè)備性能的改進(jìn)；在實(shí)用制冷技術(shù)和光學(xué)耦合方案的研究上以及其應(yīng)用領(lǐng)域做了系統(tǒng)性的介紹。2021年，Esmaeil Zadeh等人回顧了SNSPD的發(fā)展歷史、工作機(jī)制、制造方法、超導(dǎo)材料、讀出方案及應(yīng)用發(fā)展，對SNSPD的低溫裝置集成化進(jìn)行了展望。隨著SNSPD的不斷發(fā)展，其在1550nm工作波長的探測效率目前甚至超過了90%，遠(yuǎn)超于其他種類探測器的探測效率。

國內(nèi)雖然在該領(lǐng)域的研究工作起步較晚，但是超導(dǎo)納米線單光子探測已經(jīng)走在世界的前列。2014年，南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所研制的SNSPD在1550nm波段探測效率最高達(dá)到75%，暗計(jì)數(shù)小于100cps。2017年，中科院上海微系統(tǒng)所尤立星研究團(tuán)隊(duì)在國際上首次采用NbN超薄薄膜成功實(shí)現(xiàn)了1550nm工作波長、光子探測效率超過90%的SNSPD。2019年，該團(tuán)隊(duì)通過在介質(zhì)鏡上用雙層納米線取代單層納米線研制出的SNSPD器件，實(shí)現(xiàn)了光子響應(yīng)概率和吸收效率同時(shí)提升。在0.8K條件下，該探測器在1590nm處的最大光子探測效率（PDE）為98%，在1530～1630nm波長范圍內(nèi)的光子探測效率達(dá)到95%以上。此外，在2.1K條件下，探測器在1550nm處的最大PDE為95%。表1為SNSPD研發(fā)代表性機(jī)構(gòu)及性能信息。

表1 SNSPD研發(fā)機(jī)構(gòu)及性能信息

超導(dǎo)納米線單光子探測器作為新興的光子探測器，其死時(shí)間極短，暗計(jì)數(shù)很小，用于單光子測距可以忽略。基于上述優(yōu)勢，其越來越廣泛地應(yīng)用于激光測距和成像以及量子通信等領(lǐng)域。

單光子探測器件應(yīng)用發(fā)展

量子通信應(yīng)用

量子通信利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞，是基于量子態(tài)進(jìn)行傳輸?shù)摹，F(xiàn)有的量子通信實(shí)驗(yàn)一般以光子為量子態(tài)載體，由電磁波攜帶信息，其表現(xiàn)形式即為光子態(tài)傳輸。單光子探測器從傳統(tǒng)的光電倍增管到半導(dǎo)體材料的硅管、銦鎵砷管再到超導(dǎo)單光子探測器，現(xiàn)已發(fā)展到可以適用于不同場合工作。

國內(nèi)單光子探測器在量子通信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破性進(jìn)步，2020年，中科院與清華大學(xué)合作，基于高計(jì)數(shù)率低噪聲單光子探測器，突破遠(yuǎn)距離獨(dú)立激光相位干涉技術(shù)，分別實(shí)現(xiàn)了500公里量級真實(shí)環(huán)境光纖的雙場量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）、相位匹配量子密鑰分發(fā)（PM-QKD）。2022年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦團(tuán)隊(duì)，基于0.1274Hz暗記數(shù)且時(shí)間抖動(dòng)小于50ps的超導(dǎo)探測器，改進(jìn)四相位調(diào)制雙場協(xié)議，并進(jìn)一步提升了獨(dú)立光源的鎖相穩(wěn)頻特性，將光纖雙場量子密鑰分發(fā)的安全傳輸距離延長至833km。

單光子探測器的探測效率、暗計(jì)數(shù)水平、后脈沖水平以及可達(dá)到的工作頻率等性能提升直接影響著量子通信系統(tǒng)。未來提高光子探測效率和降低暗計(jì)數(shù)率等探測器性能的改進(jìn)和新的協(xié)議等理論發(fā)展，可有效提高QKD距離和密鑰率，促進(jìn)QKD的發(fā)展。

單光子激光測距

激光測距主要包括飛行時(shí)間法（ToF）、干涉法和三角法。近年來隨著單光子探測器的發(fā)展，激光測距又衍生出一種新的測距方式，即單光子激光測距法。單光子激光測距系統(tǒng)中光子探測器可以對光子進(jìn)行響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的測量。

國內(nèi)在激光測距領(lǐng)域也實(shí)現(xiàn)了精度和距離的進(jìn)步。2017年，南京大學(xué)使用SNSPD激光雷達(dá)系統(tǒng)（1064nm波長，DCR小于100cps）在海霧分布特征下實(shí)現(xiàn)了180km直徑的遠(yuǎn)距離測距區(qū)。2020年，中國科學(xué)院云南天文臺張海濤等將陣列超導(dǎo)納米線單光子探測器和多通道事件計(jì)時(shí)器等陣列探測技術(shù)應(yīng)用于激光測距試驗(yàn)系統(tǒng)中，成功對軌道高度為1000km、雷達(dá)截面積為0.045m2的小目標(biāo)進(jìn)行了精準(zhǔn)探測。2021年，華東師范大學(xué)在單光子測距系統(tǒng)中引入?yún)⒖嘉恢?，有效抑制了系統(tǒng)延時(shí)漂移，光子飛行時(shí)間測量精度達(dá)到0.5ps，在2m測距距離處，單測距精度達(dá)到65μm。表2為不同探測器在單光子激光測距應(yīng)用的性能信息。

表2 不同探測器在單光子激光測距應(yīng)用性能信息

目前，應(yīng)用于單光子測距系統(tǒng)的探測器有雪崩光電二極管和超導(dǎo)納米線單光子探測器等，根據(jù)具體工作場合環(huán)境使用合適性能的探測器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測距。死時(shí)間極短和低暗計(jì)數(shù)等性能優(yōu)化是未來改進(jìn)單光子探測器的主要方向。

單光子成像

隨著自時(shí)間相關(guān)的光子計(jì)數(shù)激光測距技術(shù)的逐漸發(fā)展，光子計(jì)數(shù)激光測距系統(tǒng)時(shí)間分辨率也在逐漸提高。在單光子探測器成像方面，國內(nèi)發(fā)展較快，同美國等國家已走在世界前列。

2021年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐飛虎等利用InGaAs/InP SPAD探測器（20% PDE，210ps抖動(dòng)，2.8kHz暗計(jì)數(shù)率，32ps時(shí)間分辨率）實(shí)現(xiàn)了在1.43km范圍內(nèi)的非視域成像和隱藏物體的實(shí)時(shí)跟蹤；同年，該研究團(tuán)隊(duì)利用脈沖泵浦頻率上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)以及長波泵浦和時(shí)間域?yàn)V波方式，實(shí)現(xiàn)了1.4ps時(shí)間分辨率和5Hz暗計(jì)數(shù)率的近紅外單光子探測器，最終該實(shí)驗(yàn)成功對視域外毫米級大小的字母實(shí)現(xiàn)了高精度非視域成像，為技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展奠定了研究基礎(chǔ)。此外，徐飛虎團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)緊湊的同軸單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)，采用新的噪聲抑制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)三維成像高達(dá)201.5km，每像素只有0.44個(gè)信號光子。在超長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)用、低功率激光雷達(dá)的重要一步。圖5為該文章201.5km以上的遠(yuǎn)程主動(dòng)成像說明。

圖5 遠(yuǎn)程主動(dòng)單光子成像機(jī)理與效果圖

單光激光測距技術(shù)作為新興的激光測距方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離激光測距和單光子激光成像等領(lǐng)域，并且取得重大研究進(jìn)展。

量子關(guān)聯(lián)成像

上節(jié)介紹的是基于光子飛行時(shí)間的測距成像，是一種非關(guān)聯(lián)成像。此外還有基于光子在時(shí)空域上相關(guān)性的關(guān)聯(lián)成像。量子關(guān)聯(lián)成像又稱為鬼成像或雙光子成像，鬼成像是光電流的關(guān)聯(lián)測量獲取物體圖像信息的新型成像方式。如圖6所示，鬼成像是基于雙光路的成像，其中一束光（信號光）作用于待成像物體，照射在一不具有空間分辨能力的桶探測器；另一束光（參考光）不作用于物體，直接照射在一個(gè)具有空間分辨能力的探測器上，將兩束光路信號符合運(yùn)算得到光強(qiáng)總值，即可恢復(fù)物體的像。最早的關(guān)聯(lián)成像方案使用糾纏雙光子作為光源并且具有非定域成像、突破瑞利衍射極限等奇特性質(zhì)，因此受到了人們的廣泛關(guān)注。

圖6 鬼成像示意圖

鬼成像作為一種新型的成像技術(shù)，未來與激光雷達(dá)、光學(xué)加密、邊緣檢測、3D成像、高光譜、窄帶濾光和超衍射極限分辨等應(yīng)用光學(xué)和成像技術(shù)領(lǐng)域的高精尖技術(shù)手段的結(jié)合可以衍生出了眾多有廣闊應(yīng)用前景的研究方向。

總結(jié)

本文主要介紹了國內(nèi)外對單光子探測器件的研究和應(yīng)用?，F(xiàn)階段，單光子探測器主要從光學(xué)結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)優(yōu)化、光學(xué)與器件的集成與小型化等器件設(shè)計(jì)和在遠(yuǎn)距離探測成像和量子關(guān)聯(lián)成像等應(yīng)用領(lǐng)域展開研究并取得了長足發(fā)展。對于傳統(tǒng)單光子器件比如雪崩二極管等，仍需要對其光譜響應(yīng)范圍和暗計(jì)數(shù)率等技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行深入研究。對于新興的SNSPD器件，其優(yōu)勢明顯，該探測器探測效率高、死時(shí)間極短、暗計(jì)數(shù)很小，具備優(yōu)秀的光電性能。但SNSPD嚴(yán)格的溫度要求限制了其應(yīng)用，綜上所述，低溫裝置集成化、小型化、常溫低噪聲等性能是單光子探測器未來發(fā)展的重點(diǎn)和難點(diǎn)。隨著材料制備技術(shù)進(jìn)步和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)展，單光子光電探測器未來將有望獲得更高光電性能，實(shí)現(xiàn)更為廣泛的應(yīng)用。

審核編輯：劉清