單光子探測器工作原理是什么？

單光子探測是一種探測超低噪聲的技術(shù)，增強(qiáng)的靈敏度使其能夠探測到光的較小能量量子——光子。單光子探測器可以對單個(gè)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對極微弱目標(biāo)信號的探測，因此也活躍在許多可獲得的信號強(qiáng)度僅為幾個(gè)光子能量級的新興應(yīng)用領(lǐng)域中。

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單光子探測器

單光子探測技術(shù)在高分辨率的光譜測量、非破壞性物質(zhì)分析、高速現(xiàn)象檢測、精密分析、大氣測污、生物發(fā)光、高能物理、天文測光、光時(shí)域反射、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

單光子探測領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了很大的成就，但這還是不能夠滿足人們對高科技領(lǐng)域探索的需求。人們對單光子探測器將主要從兩個(gè)方面去研究，一方面，研制和開發(fā)有高靈敏度新型結(jié)構(gòu)的光探測器，另一方面，研究和改進(jìn)探測器的外圍控制驅(qū)動技術(shù)，利用現(xiàn)有的探測器進(jìn)行單光子探測。

單光子探測器的現(xiàn)狀及其發(fā)展

對于可見光探測，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，市場上也有了不少類似的產(chǎn)品。然而隨著人們對紅.外光研究的不斷深入，特別是近年來通信技術(shù)、密碼術(shù)的研究不斷引起各國的重視，對紅外通信波段（850nm、1310nm和1550nm)單光子探測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?，F(xiàn)在對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。國外已經(jīng)有公司開發(fā)出了專門針對850nm單光子探測的商用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單光子探測的InGaAs-APD。國外對這兩個(gè)波段的單光子探測的報(bào)道，一般都是關(guān)于利用現(xiàn)有針對光纖通信的商用APD，通過優(yōu)化外圍驅(qū)動電路，改善工作環(huán)境，使其達(dá)到單光子探測的目的。目前，國內(nèi)也已經(jīng)有了不少科研院所正在對這兩個(gè)波段的單光子探測器進(jìn)行研究，為實(shí)現(xiàn)密鑰分發(fā)技術(shù)（QKD）的實(shí)用化而做準(zhǔn)備。

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